UNE PERCEE DANS LA CONCEPTION DES PARAFOUDRES 

J.S. Kresge F.D. Martzloff S.A. Miske E.C. Sakshaug 

General Electric Co. General Electric Co. General Electric Co. General Electric Co. 

Pittsfield, Mass. Schenectady, NY Schenectady, NY Pittsfield, Mass 

SOMMAIRE 

Un nouveau materiau pennettant la realisation de r6sistances variables de caractlristiques supBrieures a Pti 

mis au pointen1968 par Matsushita Electrical Industrial. Les premiPres applications en ont Gti faites dans 

l'ilectronique. En 1970, des dtudes ont it6 lancses 2 la General Electric et se poursuivent encore, afin de 

produire des blocs de taille suffisante pour la construction de parafoudres de station, au lieu des blocs 

classiques en carbure de silicium. Ces Etudes ont progressB au point 03 il est maintenant possible de rialiser grPce B ce matiriau des ~arafoudres qui n'ont plus 

besoin d'6clateurs en sBrie. 

INTRODUCTION 

Les caractiristiques souhaitables pour un parafoudre 

ideal sont bien connues: 

1 - La conduction commence P une tension quelque peu 

supdrieure P la valeur nominale: 

2 - La tension est mkintenue P ce niveau pendant toute 

la dScharge; 

3 - La conduction se bloque pratiquement 3 la m-me tension oii elle a commencl. 

Ce parafoudre deal ne laisserait ainsi passer que le 

courant nscessaire pour riduire la surtension 2 la valeur de protection du parafoudre. Tout parafoudre qui 

maintient une tension infBrieure B cette valeur de protection pendant tout ou partie de la decharge doit Bcouler une intensite plus ilevee et par consBquent dissiper 

une plus grande Bnergie. L'climination des eclateurs, 

rendue possible par la mise au point du nouveau mat0riau. 

reprdsente une nouvelle etape vers l'obtention des 

caracteristiques idiales. 

11 est bien connu qu'il seralt avantageux de rdaliser un 

parafoudre sans eclateurs en s6rie pour les raisons 

suivantes: 

1 - Les Bclateurs peuvent avoir des tensions d'amorfage 

variables si le parafoudre n'est pas bien scell6. 

2 - Le fonctionnement sous tension momentanBment plus 

Elevee peut Otre limit6 du fait des risques de 

l'amorqage d'un iclateur dB B une pollution de 

surface: 

3 - Le nombre de pieces nBcessaires a la construction 

d'un lclateur est important par rapport au nombre 

total employe pour le parafoudre. ce qui augmente 

la probabilit6 d'une erreur de fabrication ou d'une 

dsfaillance. 

La courbe A de la Figure 1 montre la CaractBristique 

tension-courant d'une r6sistance variable faite du nouveau matdriau B base d'oxyde de zinc. La caractiristique non-lineaire de ce matiriau reste constante sur une 

large gamme de courant. I1 en resulte qu'un parafoudre 

construit avec ces resistances, sans Eclateur en sBrie, 

se rapproche davantage du parafoudre ideal qu'un parafoudre B dclateur classique, aussi perfectionne qu'il 

soit, construit avec des r6sistances au carbure de 

silicium dont la caracteristique est indiquie par la 

courbe B de la Figure 1. Le nouveau parafoudre ne 

Figure 1. ~aract&~stlque tension-courant d'un 6lZment 

de 6 kV. A = oxyde de zinc; B = carbure de silicium 

10. Y) 

5 

0 

S I 

laisse passer qu'un courant tres faible jusqulB ce que 

la tension ait atteint le voisinage du niveau de protection, et m3me alors il n'dcoule que le courant 

nicessaire pour limiter la surtension au niveau de 

protection. L'energie absorbBe par le parafoudre est 

ainsi reduite au minimum. 

A 

B 

CARACTERISTIQUES DES RESISTANCES 

Dl; 10 100 1000 IOK IOOK 

AMPERES 

L'llPment de resistance variable (non-1inCaire) est fait 

d'un matdriau frittL 1 haute temperature, contenant principalement de l'oxyde de zinc, avec des additifs de 

divers oxydes produisant lea caract6ristiques non-linkaires ddsirEes. La structure du materiau comprend un 

r6seau de grains conducteurs dloxyde de zinc sdpards par 

des couches interm6diaires rdsistantes contenant les 

oxydes additifs. Lorsque la contrainte dielectrique 

augmente, cette couche intermediaire devient progressivement conductrice, suivant une loi non-linsaire reprBsentee B la Figure 1. Les propriites utiles B la rCalisstion d'un parafoudre sont les suivantes: 

1 - La caracteristique tension-courant est remarquablement peu inclin8e: une variation de courant de cinq 

dicades,ne produisant qu'une variation de tension de 

50%. 

2 - Le coefficient de tempirature est tres faible, de 

sorte que les caractiristiques de protection du 

parafoudre sont independantes de la temp6rature. 

Ceci n'est pas le cas pour le carbure de silicium 

classique, celui-ci ayant un coefficient d'environ 

-0.24%/OC. Les rdsistancea variables 1 l'oxyde de 

zinc ont ausai un coefficient nigatif pour les tres faibles courants; ceci n'a pas d'influence sur les 

caractsristiques de protection mais on doit en tenir 

compte dam les calculs thermiques du parafoudre. 

3 - Aux tres fortes densites de courant (au-dessus de 

10 ~/cm~), la caracteristique tension-courant monte 

plus vice, en raison de la r6sistivite des grains 

d'oxyde de zinc. Ceci est aussi le cas du carbure 

de silicium, mais le phdnoaSne est moins marque pour 

l'oxyde de zinc mtme aux plus fortes densit6s de 

courant rencontrges dans le fonctionnement d'un 

paraf oudre. 
4 - Un dernier point trPs important est la stabilitd des 

caract6ristiques de lloxyde de zinc 3 la suite de 

dkharges d'intensit6 trZs ilevdes. Ceci n'est pas 

le cas du carbure de silicium qui peut produire des 

tensions de protection plus ilevies B la suite de 

dlcharges. 

ESSAIS SUR LES PARAFOUDRES 

CARACTERISTIQUES 

1 - Amorcage 

Come le parafoudre n'emploie pas d1Cclateur, il n'a pas 

de caractdristiques d'amorgage. Au fur et 5 mesure que 

la tension monte, les ildments non-lingaires deviennent 

progressivement plus conducteurs, comme indiqud par la 

courbe A de la Figure 1. 

2 - Tension risiduelle 

Les courbes de la Figure 1 ont it6 tracies a partir d'un 

point commun 1 10 kA pour une dgcharge normalisde de 

8 x 20p (1.6 fois la tension nominale du parafoudre). 

Pour des intensitis supirieures 1 10 kA, la tension 

rkiduelle du nouveau parafoudre est infgrieure B celle 

du parafoudre classique. Pour des formes d'ondes plus 

raides que la norme 8 x 20, 1'616ment 5 l'oxyde de zinc 

est encore meilleur, comme indiquQ P la Figure 2. La 

stabilite des caracteristiques pour des impulsions de 

haute intensiti est remarquable: par exemple, deux 

ddcharges de 4 x 8 s 1 65 kA ne produisent qu'un changement de 2% 1 100 ampPres et moins de 3% P 10 kA. Des 

ddcharges rdpgtges de 10 kA ne produisent aucun changement mesurable de la tension risiduelle, ce qui n'est 

pas le cas d'un iliment au carbure de silicium, comme le 

montrent les normes qui permettent une variation de 10% 

B la suite de dicharges de 10 kA.* 

3 - Durabiliti 

a) EssaL~-de-50nctionn~rnen5 Un des essais fondamentaux d'un parafoudre. dtabli 1 la 

suite d'une longue expirience. est l'essai de fonctionnement3 '. L'oscillogramme de la Figure 3 montre 

l'absence d'un courant de suite pour le nouveau parafoudre aprh passage de la decharge P un angle de 30' avant 

la crtte. De plus, l'allure du courant dans le parafoudre reste la mame avant et apres la dicharge. Pour des 

decharges ripit5es. le courant augmente l6gSrement pour 

un certain temps, et revient 2 sa valeur originale apr& 

dissipation de la chaleur produite par les d6charges 

successives. 

b) D~:h~fg~-d~~~~-ll~~~-!~~t:3!!~~0~t 

L'essai de d6charge d'une ligne de transport spccifii 

par la norme ANSI C 62.1-1975, ne prCsente aucune difficult6 pour un parafoudre B l'oxyde de zinc. La forme 

d'onde de courant pour la derniPre ddcharge est sensiblement la mame que pour la premiere de l'essai. 

c) _Ca~aflt~-d_e-r_en~s--a!!X-s-ur_t~!!sL_~~~ 

Certaines applications exigent qu'un parafoudre soit 

capable de survivre 1 plusieurs periodes h une tension 

au-dessus de la valeur nominale 1 la suite d'une dBcharge relativement Elevce due B une surtension de manceuvre. 

Dans les parafoudres classiques, la difficult6 de cet 

essai risulte d'un rEamor~age des Eclateurs. Dans le 

cas du nouveau parafoudre, ce problsme ne se pose plus, 

mais il fauc toutefois dsmontrer que les risistances 

variables peuvent absorber l'inergie correspondant B la 

tension la plus BlevCe. 

0 1 I I 0 l 1 0 10 100 

TEMPS Irs) 

Figure 2. Tension r&slduelle 2 10 kA en fonction du 

temps de crste pour les il&nents de parafoudre 2 

l'oxyde de zinc et au carbure de silicium. La courbe 

d est la caract6ristique d'amrpge d'un parafoudre de 

264 kV exprlmge en pour-un, dans le cas d'une d6charge 

de 10 kA, 8 x 20 us. 

~igure 3. Essai de fonctionnement typlque 3 la tension 

nominale pour une onde de choc de 8 x 20 ps. La sinusolde de grande amplitude est la tension aux bornes du 

parafoudre, l'onde de petite amplitude est le courant 

dans le parafoudre 19 rN1 de crste a crtte). 

Figure 4. Circuit d'essal de surtension 60~22 2niveaux 

L1 = inductance de la source; LZ = inductance de charge 

sl & S2 = interrupteurs synchronises (52 est fern6 une 

demi-griode apr& S1) 

R = impidance caractgristique de la ligne de transport 

La Figure 4 montre le schlma d'un circuit employ6 pour 

soumettre des sections de parafoudre a des tensions 

dipassant la valeur nominale. L'ichantillon 2 essayer 

est reli6 1 l'alternateur ayant une inductance Li par 

une resistance R, Cgale B l'impidance caractiristique de 
Figure 5. Fonctionnement du parafoudre dans le circuit 

de surtension 60 Hz de la Figure 4. Les traces, de haut 

en bas, sont la tension du parafoudre, le courant dans 

le parafoudre, la tension de la source en amont de 

1 ' imp6dance caractbristigue, et 1 'bnergie dissifie dans 

le parafoudre. 

(a) Tensions presum6es de 2.0, 1-32, 1.35, 1.29, 1.26, 

etc. la valeur nominale. L'intensitB maximum dans le 

parafoudre est 760 A en cr&te. L'bnergie totale est 

de 5.1kW-s par kV de valeur nominale 

(b) Tensions presum6es de 1.61, 1.61, 1.34, 1.31, etc. 

la valeur nominale. ~'intensit6 maximum dans le parafoudre est de 450 A en cr@te. L'energie totale est de 

5.3 kW-s par kV de valeur nominale. 

la ligne, en fermant le contact (synchronise) S1. En 

fermant S2 une ou plusieurs demi-periodes plus tard, la 

tension est reduite par le diviseur Ll/L2. La Figure 5 

montre deux oscillogrammes enregistrds avec ce circuit 

pour une section du nouveau parafoudre prbvue pour un 

niveau de protection de 1.39 en cas de surtension de manoeuvre et de 1.6 pour une d6charge de 10 kA. 

Pour les oscillogrammes de la Figure 5, les valeurs pr6- 

sum6es des cr8tes des demi-p6riodes successives (qui 

auraient 6tl atteintes si le parafoudre n'avait pas it6 

branch6 sur le circuit d'essai) sont d6croissantes du 

fait du changement de 11imp6dance de la machine tournan- te d'essai en rlgime transitoire. Pour la Figure 5(a), 

les crstes pr6sum5es successives sont 2.0, 1.32, 1.35, 

1.29. 1.29, ... etc, dlcroissant 2 1.19 fois la valeur 

nominale pour la dixieme pCriode, point auquel la ten- sion a Btl coupge. Le parafoudre a Bcoull un courant de 

cr8te de 760 amperes pour la premiere demi-pbriode, avec 

des crttes de moins de 80 ampPres pour les p6riodes 

suivantes. L'Energie totale absorb6e par le parafoudre 

a 6t6 5.1 kW-s par kV de valeur nominale. 

Dans le cas de la Figure 5 (b), les cr8tes prlsudes de 

la tension Btaient 1.61, 1.61, 1.34, 1.3l,..etc,d6croissant 1 1.24 pour la huitilme plriode. Dans ce cas. le parafoudre a lcoull un courant maximum de 450 ampsres en 

crcte, et a absorb6 une Bnergie totale de 5.3 kW-s par 

kV de valeur nominale. Les traces de courant pour les 

deux oscillogrannnes correspondent exactement aux intensit& pr8visibles d'apres les caractBristiques de tension-courant des resistances variables. 11 est don~ 

bien 6vident que l'lchauffement d3 3 1'8nergie dissip6e 

n'a aucun effet nuisible sur les capacitss des rssistances 2 limiter le courant quand la tension 60 Hz revient 

B sa valeur normale. 

Des surtensions temporaires mais persistant pendant de 

nombreuses pBriodes pewent survenir dans certaines conditions de l'exploitation d'un rCseau, par exemple la 

mise sous tension d'un transformateur, des effots de 

resonance, ou un dllestage. Dans ces caa , la capacit6 

d'un parafoudre de supporter des surtensions modlrdes 

mais de longue dur6e est trBs intCre~sante.~ Des essais 

ont dlmontrB une capacitl suffisante pour supporter des 

surtensions de 120% de la valeur nominale pendant une 

seconde. L'Bnergie totale absorble pendant un tel incident n'est que de 3.1 kW-s par kV de valeur nominale. 

4. Application pour decharge de condensateur 

Les constructeurs et les utilisateurs de parafoudres 

savent depuis longtemps que l'une des applications les 

plus difficiles est rencontree au voisinage de batteries 

de condensateurs. En cas de surtension des condensateurs, avec amorgage du parafoudre en parallsle. la 

rbsistance des blements non-linsaires est la seule B 

limiter le courant de decharge des condensateurs, dont 

l'impedance est pratiquement nulle. Si la surtension 

prbsum6e dlpasse la tension d'amorgage du parafoudre. 

un appoint de courant provenant de 1'6nergie emmagasinae 

dans l'inductance du circuit peut venir s'ajouter au 

coutant de dCcharge des condensateur~.~ Les Sclateurs 

d'un parafoudre classique peuvent Stre endounnagEs par 

des courants resultant d'un transfert de charge dBpassant 1 coulomb, entrahant un rlamorgage de l'lclateur. 

Le nouveau parafoudre commence B dcouler un courant dBs 

que la tension s'approche du niveau de protection et ce 

courant est limits B la valeur correspondant 1 ce niveau. 

Par consgquent, les crikes de courant, les charges et 

les bnergies mises en cause sont bien moindres que pour 

un parafoudre 1 Eclateurs. La Figure 6 indique les 

rlsultats comparatifs pour les deux types de parafoudre, 

d'aprls un calcul 1 l'ordinateur. En a), le circuit 

correspond B une batterie de 135 MVAR d6connect6e d'un 

r6seau 1 242 kV ayant une puissance de court-circuit de 

15 kA, protigee par un parafoudre (A) de 180 kV du c5tC 

source de l'interrupteur. La surtension prlsurnle qui 

aurait ltg atteinte sans le parafoudre est indiqule en 

pointill6 sur les Figures 6b et 6c. Dans la Figure 6b, 

un parafoudre classique ayant une tension d'amorgage de 

385 kV (1.5 fois la valeur nominale) produirait une 

crste de courant de 12.4 kA, avec une charge totale de 1.1 coulomb bcoulde entre l'amorgage et le point oCi le 

courant tombe au-dessous de 1.5 kA. Par contre, le 

parafoudre B l'oxyde de zinc de la Figure 6c, sans Bclateurs, ne laisse passer qu'une cr?te de 1.8 kA, tout en 

limitant la surtension B 1.39 fois la valeur nominale. 

Lt6nergie absorbse par le parafoudre n'est que de 

0.7 kW-s par kV de valeur nominale. 

11 est donc bien Bvident dans cette application que le 

nouveau parafoudre peut assurer une meilleure protection 

tout en Stant soumis B une dissipation d'lnergie moindre 

que le parafoudre classique. 

STABILITE SOUS CONTRAINTE CA PROLONGEE 

Une propri8te des resistances variables 1 l'oxyde de 

zinc semble ttre une tendance B la d~rive de la caracreristique tension-courant aux faibles intensites sous une 

contrainte CA de longue dur8e. Cette d8rive tend B 

augmenter les pertes dans le matlriau, et du fait que le 

coefficient de temperature est positif, il faut demontrer que les rbsistances sont stables B long terme dans 

les conditions de templrature et de tension rencontrees 

en service. 

Des essais effectugs 2 divers niveaux de contrainte et 

de tempdratures ont confirm6 que le taux d'augmentation 

des pertes en fonction de la temp6rature suit la loi 
TEMPS -ms (b) 

20 

15 

k V k A 10 

5 

0 

TEMPS - ms 

(c) 

Figure 6. Cornparaison entre le fonctio~ement d'un 

parafoudre classique et d'un parafoudre 2 l'oxyde de 

zinc install& prks d'un banc de condensateurs. 

(a) Schbma du circuit 

(b) Parafoudre classique de 180 kv 

(c) Parafoudre b l'oxyde de zinc, de 180 kV 

d'Arrh8nius bien connue, qui decrit l'ivolution d'un 

phlnomane active par la temperature. Cette loi enonce 

que le logarithme du temps necessaire a produire un 

certain changement d'une caracteristique donnee est une 

fanction liniaire de l'inverse de la temperature absolue 

(OK). Cette loi est appliquee pour les essais de la 

temperature. Ceci est representi sur le graphique de 

la Figure 7, indiquant le temps nlcessaire pour doubler 

les pertes, en fonction de l'inverse de la temperature. 

au nivesu de contrainte correspondant ii une application 

de parafoudre 1 72%. 

Des etudes ont d6montrG que le maximum de la temperature 

moyenne ponderee pour un parafoudre install6 dans un 

climat chaud, en plein soleil pour de longues durees. 

du genre exi~tant ii Phmnix, Arizona, ne dgpasse pas 

45OC (115°F). Cette moyenne pondEr6e a BtB obtenue en 

determinant le profil presum6 de la temperature en fonction du temps pour l'enveloppe de porcelaine, au cours 

d'un journee typique des quatre saisons de l1ann6e. Ces risultats ont alors St6 traitis selon la pente de la 

droite d'Arrh8nius de la Figure 7 pour obtenir la tempirature moyenne ponderee (ou effieace) dans le cas d'une 

application dans des conditions trSs dures. D'aprPs la 

Figure 7, il faudrait environ 200 ans pour que les pertes d'un parafoudre 3 72% doublent leur valeur initiale. 

Les pertes pour un parafoudre avec resistances 3 l'oxyde 

de zinc seront d'environ 0.15 watt par kV de valeur 

nominale ii 2S°C. Ceci ne represente que les deux-tiers 

des pertes miSeS en jeu dans un parafoudre de construc- tion classique. 

Figure 7. Diagramme d'Arrh6nius pour la duree de vie 

d'un Blernent de rbsistance variable 2 l'oxyde de zinc 

en fonction de l'inverse de la temp&ature, sous une 

contrainte de tension P 60 Hz. 

CAPACITE EN ENERGlE DE DECHARGE 

Pour toute dicharge unique, les disques rGalisls pour 

des parafoudres de 312 kV et au-dessous sont capables 

d'absorber une Qnergie de 9 kW-s par kV de valeur nominale. Par exemple, une decharge unique de 1000 ampares 

d'une duree de 4 millisecondes est acceptable. 

L'absorption d'une energie superieure B cette valeur au 

cours d'une decharge unique peut provoquer des fissures 

dans les resistances par choc thermique. AprSs absorption d'une Qnergie de 9 kW-s par kV de valeur nominale 

pendant une decharge unique, un intervalle de 1 1 2 

minutes est suffisant pour pennettre l'lgalisation de la 

temperature dans le disque; on peut alors faire absorber une quantit6 supplementaire d'energie qui n'est 

limit6e que par la stabilite thermique en regime transitoire discutee plus loin. 

On peut se faire une idge sur la capacite 1 absorber de 

l'energie en remarquant que l'dnergie emmagasinee dans 

la ligne employee pour effectuer les essais normalisOs 

de decharge de ligne de transport pour des parafoudres 

de 345 kV est rnoins de 4.5 kW-s par kV de valeur nominale du parafoudre, et que l'energie riellement dissiple par un parafoudre B l'oxyde de zinc pour une protection de 72% est inferieure 1 3 kW-s par kV de valeur 

nominale. 

Les risistances variables B l'oxyde de zinc ont un 

coefficient positif de perte en fonction de la temperature. Cette relation entre les pertes et la temperatu- re du disque rend nEcessaire de prevoir la construction 

du parafoudre avec un systPme de transfert de chaleur 

pour assurer que les pertes 1 la tension de service ne 

soient pas augmentees au-del& des possibilit6s de dissipation de chaleur de l'ensemble. Afin d'assurer la 

stabilit6 des resistances 3 la suite de decharges de 
Le nouveau parafoudre peut passer tr6s facilement l'essai de pollution normalis6 ANSI. En fait, comme cet 

essai normalis6 ne produit pratiquement aucun effet sur 

le parafoudre, des essais plus s6vSres ont 6t6 effectues. La performance en essai de pollution du nouveau 

parafoudre, comparie 1 celle des conceptions existantes 

qui donnent satisfaction en service, indique que la 

nouvelle conception possede une capaciti remarquable 1 

risister aux effets d'une pollution externe pouss6e. 

CONCLUSIONS 

La mise au point de resistances variables ii base 

d'oxyde de zinc est arrivee au point oii des disques 

capables de dissiper une haute inergie sont disponibles et permettent de riialiser toutes les valeurs 

nominales des parafoudres de station, sans iclateurs 

en sGrie, et offrant des caractiristiques de protection supirieures 1 celles des conceptions actuelles. 

REFERENCES 

E.C. Sakshaug, J.S. Kresge, S.A. Miske, "A New 

Concept in Station Arrester Design" IEEE Paper 

F-76 393-9, Summer Meeting Power Engineering 

Society, Portland. (A publier au Bulletin PAS) 

American National Standard C62.1-1975, "Surge 

Arresters for A1 ternating Current Circuits" 

Ibid. 

Commission Electrotechnique Internationale, 

Publication 99-1, 1970. "Parafoudres, PremiAre 

partie: Parafoudre 2 r6sistance variable pour 

rgseaux B courant alternatif" 

H.C. Barnes, Preliminary Analysis of Extensive 

Switching Surge Testing of American Electric 

Powers First 765 kV Line and Station" IEEE 

Transactions (PAS), Vol. PAS-90, No 2, MarsAvrll 1971. 

D.J. Melvold, S.A. Miske, E.C. Sakshaug, "Switching 

Cables Can Stress Arresters", Electrical World, 

15 Mai 1974.