Com funciona el dispositiu de protecció contra sobretensions (SPD)
La capacitat d'un SPD per limitar les sobretensions a la xarxa de distribució elèctrica desviant els corrents de sobretensió és una funció dels components de protecció contra sobretensions, l'estructura mecànica del SPD i la connexió a la xarxa de distribució elèctrica. Un SPD està pensat per limitar les sobretensions transitòries i desviar el corrent de sobretensió, o tots dos. Conté almenys un component no lineal. En termes més senzills, els SPD estan destinats a limitar les sobretensions transitòries amb l'objectiu d'evitar danys i temps d'inactivitat dels equips a causa de les sobretensions de tensió transitòries que arriben als dispositius que protegeixen.
Per exemple, considerem un molí d’aigua protegit per una vàlvula d’alleujament de la pressió. La vàlvula d’alleujament de la pressió no fa res fins que es produeix un impuls de sobrepressió al subministrament d’aigua. Quan això passa, la vàlvula s’obre i esquiva la pressió addicional perquè no arribi a la roda hidràulica.
Si la vàlvula de descàrrega no estigués present, una pressió excessiva podria danyar la roda hidràulica o potser l’enllaç de la serra. Tot i que la vàlvula de descàrrega estigui al seu lloc i funcioni correctament, algunes restes del pols de pressió encara arribaran a la roda. Però la pressió s’haurà reduït prou com per no danyar la roda hidràulica ni alterar el seu funcionament. Això descriu l'acció dels SPD. Redueixen els transitoris a nivells que no danyen ni interrompen el funcionament dels equips electrònics sensibles.
Tecnologies utilitzades
Quines tecnologies s’utilitzen als SPD?
Des de IEEE Std. C62.72: Alguns components habituals de protecció contra sobretensions que s’utilitzen en la fabricació de SPD són els varistors d’òxid metàl·lic (MOV), els díodes de ruptura d’allaus (ABDs - anteriorment coneguts com diodes d’allau de silici o SADs) i els tubs de descàrrega de gasos (GDTs). Els MOV són la tecnologia més utilitzada per a la protecció dels circuits de corrent altern. La qualificació de corrent de sobretensió d’un MOV està relacionada amb l’àrea de la secció transversal i la seva composició. En general, com més gran sigui l’àrea de la secció transversal, més alta serà la intensitat nominal de corrent del dispositiu. Els MOV generalment són de geometria rodona o rectangular, però presenten una gran quantitat de dimensions estàndard que van des de 7 mm (0.28 polzades) fins a 80 mm (3.15 polzades). Els corrents de sobretensió d’aquests components de protecció contra sobretensions varien àmpliament i depenen del fabricant. Com es va comentar anteriorment en aquesta clàusula, en connectar els MOV en una matriu paral·lela, es podria calcular un valor de corrent de sobretensió simplement afegint les qualificacions de corrent de sobretensió dels MOV individuals per obtenir la qualificació de corrent de sobretensió de la matriu. En fer-ho, s’hauria de tenir en compte la coordinació de les característiques de funcionament dels MOV seleccionats.
Hi ha moltes hipòtesis sobre quin component, quina topologia i el desplegament de tecnologia específica produeixen el millor SPD per desviar el corrent de sobretensió. En lloc de presentar totes les opcions, és millor que la discussió sobre la puntuació del corrent de pujada, la puntuació del corrent nominal de descàrrega o les capacitats del corrent de pujada giri al voltant de les dades de proves de rendiment. Independentment dels components que s’utilitzin en el disseny o de l’estructura mecànica específica desplegada, l’important és que el SPD tingui un índex de corrent de sobretensió o un nominal nominal de corrent de descàrrega adequat per a l’aplicació.
A continuació es fa una descripció més extensa d’aquests components. Els components utilitzats en els SPD varien considerablement. Aquí teniu un mostreig d’aquests components:
Varistor d'òxid metàl·lic (MOV)
Normalment, els MOV consisteixen en un cos d’òxid de zinc sinteritzat de forma rodona o rectangular amb additius adequats. Altres tipus d'ús inclouen formes tubulars i estructures multicapa. Els varistors tenen elèctrodes de partícules metàl·liques que consisteixen en un aliatge de plata o un altre metall. Els elèctrodes poden haver-se aplicat al cos mitjançant selecció i sinterització o per altres processos en funció del metall utilitzat. Els varistors també tenen sovint cables de cable o de pestanya o algun altre tipus de terminació que pot haver estat soldada a l'elèctrode.
El mecanisme bàsic de conducció dels MOV resulta de les unions semiconductores al límit dels grans d’òxid de zinc formats durant un procés de sinterització. El varistor es pot considerar un dispositiu de diverses unions amb molts grans que actuen en combinació sèrie-paral·lel entre els terminals. A la figura 1 es mostra una vista esquemàtica en secció transversal d’un varistor típic.
Els varistors tenen la propietat de mantenir un canvi de voltatge relativament petit entre els seus terminals, mentre que el corrent de sobretensió que flueix a través d’ells varia durant diverses dècades de magnitud. Aquesta acció no lineal els permet desviar el corrent d'una sobretensió quan es connecta en derivació a través de la línia i limita la tensió a la línia a valors que protegeixen l'equip connectat a aquesta línia.
Diodo de desglossament d'allaus (ADB)
Aquests dispositius també es coneixen com a díode de allau de silici (SAD) o supressor de tensió transitòria (TVS). El díode de ruptura de la unió PN, en la seva forma bàsica, és una unió PN única que consisteix en un ànode (P) i un càtode (N). Vegeu la figura 2a. En aplicacions de circuits de CC, el protector té una polarització inversa de manera que s’aplica un potencial positiu al costat del càtode (N) del dispositiu. Vegeu la figura 2b.
El díode d’allau té tres regions de funcionament, 1) polarització directa (baixa impedància), 2) estat apagat (alta impedància) i 3) ruptura inversa de polarització (impedància relativament baixa). Aquestes regions es poden veure a la figura 3. En el mode de polarització directa amb una tensió positiva a la regió P, el díode té una impedància molt baixa una vegada que la tensió supera la tensió del díode de polarització directa, VFS. El VFS sol ser inferior a 1 V i es defineix a continuació. L'estat apagat s'estén de 0 V a just per sota d'un VBR positiu a la regió N. En aquesta regió, els únics corrents que flueixen són els corrents de fuita dependents de la temperatura i els corrents de túnel de Zener per a díodes de baixa tensió de ruptura. La regió de desglossament del biaix invers comença amb un VBR positiu a la regió N. A VBR, els electrons que creuen la unió són prou accelerats pel camp elevat de la regió de la unió perquè les col·lisions d’electrons produeixin una cascada o allau d’electrons i forats. El resultat és una forta caiguda de la resistència del díode. Tant les regions de desviació de biaix directe com de biaix invers es poden utilitzar per protegir-les.
Les característiques elèctriques d’un díode d’allau són intrínsecament asimètriques. També es fabriquen productes de protecció de díodes d’allau simètrics que consisteixen en juntes esquena amb esquena.
Tub de descàrrega de gas (GDT)
Els tubs de descàrrega de gas consisteixen en dos o més elèctrodes metàl·lics separats per un petit espai i subjectats per un cilindre de ceràmica o vidre. El cilindre s’omple amb una barreja de gasos nobles, que provoca una descàrrega de resplendor i finalment una condició d’arc quan s’aplica una tensió suficient als elèctrodes.
Quan un voltatge que creix lentament a través de la bretxa arriba a un valor determinat principalment per l’espai entre elèctrodes, la pressió de gas i la barreja de gasos, el procés d’activació s’inicia a la tensió d’esclat (avaria). Una vegada que es produeix una espurna, són possibles diversos estats de funcionament, en funció del circuit extern. Aquests estats es mostren a la figura 4. A corrents inferiors al corrent de transició de brillantor a arc, existeix una regió de brillantor. A baixos corrents a la regió de resplendor, el voltatge és gairebé constant; a grans corrents de resplendor, alguns tipus de tubs de gas poden entrar en una regió de resplendor anormal en què augmenta la tensió. Més enllà d'aquesta regió de resplendor anormal, la impedància del tub de descàrrega de gas disminueix a la regió de transició a la condició d'arc de baixa tensió. El corrent de transició arc-resplendor pot ser inferior a la transició resplendor-arc. La característica elèctrica del GDT, juntament amb els circuits externs, determina la capacitat del GDT d’extingir-se després del pas d’una sobretensió, i també determina l’energia dissipada en el descarregador durant la sobretensió.
Si la tensió aplicada (per exemple, transitòria) augmenta ràpidament, el temps necessari per al procés de formació d'ions / ionització pot permetre que la tensió transitòria superi el valor requerit per a la ruptura del paràgraf anterior. Aquesta tensió es defineix com la tensió de ruptura d’impuls i generalment és una funció positiva de la taxa d’augment de la tensió aplicada (transitòria).
Un GDT de tres elèctrodes d’una sola cambra té dues cavitats separades per un elèctrode d’anell central. El forat de l’elèctrode central permet que el plasma gasós d’una cavitat conductora iniciï la conducció a l’altra cavitat, tot i que l’altre voltatge de la cavitat pugui estar per sota del voltatge d’espurna.
A causa de la seva acció de commutació i la seva construcció resistent, els GDT poden superar altres components SPD amb capacitat de transport de corrent. Molts GDT de telecomunicacions poden transportar fàcilment corrents de pujada de fins a 10 kA (forma d'ona de 8/20 µs). A més, en funció del disseny i la mida del GDT, es poden aconseguir corrents de sobretensió> 100 kA.
La construcció de tubs de descàrrega de gas és tal que tenen una capacitat molt baixa, generalment inferior a 2 pF. Això permet el seu ús en moltes aplicacions de circuits d'alta freqüència.
Quan els GDT funcionen, poden generar radiació d’alta freqüència, que pot influir en l’electrònica sensible. Per tant, és aconsellable situar els circuits GDT a una certa distància de l’electrònica. La distància depèn de la sensibilitat de l'electrònica i de la seva protecció. Un altre mètode per evitar l’efecte és col·locar el GDT en un recinte blindat.
Definicions de GDT
Un buit, o diversos buits amb dos o tres elèctrodes metàl·lics hermèticament tancats de manera que la barreja de gasos i la pressió estiguin controlats, dissenyat per protegir l’aparell o el personal, o tots dos, d’altes tensions transitòries.
Or
Un buit o buits en un mitjà de descàrrega tancat, que no sigui l’aire a pressió atmosfèrica, dissenyat per protegir l’aparell o el personal, o tots dos, d’altes tensions transitòries.
- Filtres LCR
Aquests components varien pel que fa a:
- capacitat energètica
- disponibilitat
- longevitat i fiabilitat.
- cost
- efectivitat
Des de la norma IEEE C62.72: la capacitat d’un SPD per limitar les sobretensions a la xarxa de distribució elèctrica desviant els corrents de sobretensió és una funció dels components de protecció contra sobretensions, l’estructura mecànica del SPD i la connexió a la xarxa de distribució elèctrica. Alguns components habituals de protecció contra sobretensions que s’utilitzen en la fabricació de SPD són MOV, SASD i tubs de descàrrega de gas, amb els MOV que tenen un ús més gran. La taxa de corrent de sobretensió d’un MOV està relacionada amb l’àrea de la secció transversal i la seva composició. En general, com més gran sigui l’àrea de la secció transversal, major serà la intensitat nominal de corrent del dispositiu. Els MOV generalment tenen una geometria rodona o rectangular, però presenten una gran quantitat de dimensions estàndard que oscil·len entre els 7 mm (0.28 polzades) i els 80 mm (3.15 polzades). Els valors de corrent de sobretensió d’aquests components de protecció contra sobretensions varien àmpliament i depenen del fabricant. En connectar els MOV en una matriu paral·lela, es podria calcular una valoració teòrica del corrent de sobretensió simplement afegint les qualificacions actuals dels MOV individuals per obtenir la qualificació de corrent de sobretensió de la matriu.
Hi ha moltes hipòtesis sobre quin component, quina topologia i el desplegament de tecnologia específica produeixen el millor SPD per desviar el corrent de sobretensió. En lloc de presentar tots aquests arguments i deixar que el lector desxifri aquests temes, és millor que la discussió sobre la valoració del corrent de pujada, la valoració del corrent nominal de descàrrega o les capacitats del corrent de pujada giri al voltant de les dades de les proves de rendiment. Independentment dels components utilitzats en el disseny o de l’estructura mecànica específica desplegada, l’important és que l’SPD tingui un índex de corrent de sobretensió o nominal nominal de corrent de descàrrega adequat per a l’aplicació i, probablement el més important, que l’SPD limiti el transitori sobretensions a nivells que eviten que es protegeixin els danys a l’equip donat l’entorn de sobretensió esperat.
Modes bàsics de funcionament
La majoria dels SPD tenen tres modes de funcionament bàsics:
- En espera
- Desviant
En cada mode, el corrent flueix a través del SPD. El que pot ser que no s’entengui, però, és que pot existir un tipus de corrent diferent en cada mode.
El mode d’espera
En situacions normals d’energia quan es subministra “energia neta” dins d’un sistema de distribució elèctrica, l’SPD realitza una funció mínima. En el mode d’espera, l’SPD espera que es produeixi una sobretensió i consumeixi poca o cap energia ac; principalment l’utilitzat pels circuits de monitorització.
El mode de desviament
En detectar un esdeveniment de sobretensió transitòria, el SPD canvia al mode de desviació. El propòsit d’un SPD és desviar el corrent d’impuls nociu de càrregues crítiques, alhora que redueix la seva magnitud de voltatge resultant a un nivell baix i inofensiu.
Tal com es defineix per ANSI / IEEE C62.41.1-2002, un corrent transitori típic només dura una fracció de cicle (microsegons), un fragment de temps en comparació amb el flux continu d’un senyal sinusoïdal de 60 Hz.
La magnitud del corrent de pujada depèn de la seva font. Els llamps, per exemple, que en casos rars poden contenir magnituds actuals superiors a diversos centenars de milers d’amperis. Dins d’una instal·lació, però, els esdeveniments transitoris generats internament produiran magnituds de corrent inferiors (menys d’uns quants milers o centenars d’amperis).
Atès que la majoria dels SPD estan dissenyats per manejar grans corrents de sobretensió, un punt de referència de rendiment és el valor nominal de corrent de descàrrega nominal (In) del producte. Sovint confosa amb el corrent de fallada, però no relacionada, aquesta gran magnitud de corrent és una indicació de la capacitat de resistència repetida provada del producte.
Des de IEEE Std. C62.72: La qualificació de corrent nominal de descàrrega exerceix la capacitat d’un SPD de ser sotmès a pujades de corrent repetitives (15 pujades totals) d’un valor seleccionat sense danys, degradació o canvis en el rendiment de la tensió limitant mesurada d’un SPD. La prova de corrent nominal de descàrrega inclou tot el SPD, inclosos tots els components de protecció contra sobretensions i seccionadors SPD interns o externs. Durant la prova, no es permet que cap component o seccionador falli, obri el circuit, es faci malbé o es degradi. Per aconseguir una qualificació particular, s’ha de mantenir el nivell de rendiment de la tensió limitant mesurada del SPD entre la comparació prèvia i posterior a la prova. L’objectiu d’aquestes proves és demostrar la capacitat i el rendiment d’un SPD en resposta a sobretensions que en alguns casos són greus però que es podrien esperar a l’equip de servei, dins d’una instal·lació o al lloc de la instal·lació.
Per exemple, un SPD amb una capacitat de corrent de descàrrega nominal de 10,000 o 20,000 amperes per mode significa que el producte hauria de ser capaç de suportar amb seguretat una magnitud de corrent transitòria de 10,000 o 20,000 amperes un mínim de 15 vegades, en cadascun dels modes de protecció.
Escenaris de fi de vida
Des de la norma IEEE C62.72: la major amenaça per a la fiabilitat a llarg termini dels SPD pot ser que no siguin les sobretensions, sinó les sobretensions momentànies o temporals repetides (TOV o "onades") que es poden produir al PDS. Els SPD amb un MCOV, que són precaris a prop de la tensió nominal del sistema, són més susceptibles a aquestes sobretensions que poden provocar un envelliment prematur de SPD o un final prematur de la vida útil. Una regla general que s'utilitza sovint és determinar si el MCOV del SPD és almenys el 115% de la tensió nominal del sistema per a cada mode de protecció específic. Això permetrà que el SPD no es vegi afectat per les variacions normals de voltatge del PDS.
Tanmateix, a part d’esdeveniments de sobretensió sostinguts, els SPD poden envellir o degradar-se, o assolir la seva condició de final de servei al llarg del temps a causa de sobretensions que superen les qualificacions de SPD del corrent de sobretensió, la taxa d’ocurrència d’esdeveniments de sobretensió, la durada de la pujada , o la combinació d'aquests esdeveniments. Els esdeveniments de sobrecàrregues repetitius d’amplitud significativa durant un període de temps poden sobreescalfar els components SPD i provocar l’envelliment dels components de protecció contra sobretensions. A més, les sobretensions repetitives poden fer que els seccionadors SPD que s’activen tèrmicament funcionin prematurament a causa de l’escalfament dels components de protecció contra sobretensions. Les característiques d’un SPD poden canviar a mesura que arriba al seu estat de finalització del servei; per exemple, les tensions límit mesurades poden augmentar o disminuir.
En un esforç per evitar la degradació a causa de les sobretensions, molts fabricants de SPD dissenyen SPD amb altes capacitats de corrent de sobretensió, ja sigui mitjançant l'ús de components físicament més grans o connectant diversos components en paral·lel. Això es fa per evitar la probabilitat que es superin les qualificacions del SPD com a muntatge, excepte en casos molt rars i excepcionals. L'èxit d'aquest mètode es recolza en la llarga vida útil i la història dels SPD instal·lats existents que s'han dissenyat d'aquesta manera.
Pel que fa a la coordinació de SPD i, com s’ha dit respecte a les qualificacions de corrent de sobretensió, és lògic tenir un SPD amb qualificacions de corrent de sobretensió més alt situades a l’equip de servei on el PDS està més exposat a sobretensions per ajudar a prevenir l’envelliment prematur; mentrestant, els SPD més descendents de l'equip de servei que no estiguin exposats a fonts externes de sobretensions poden tenir menys qualificacions. Amb un bon disseny i coordinació del sistema de protecció contra sobretensions, es pot evitar l'envelliment prematur de SPD.
Altres causes de fallada SPD inclouen:
- Errors d'instal·lació
- Aplicació errònia d’un producte per la seva tensió nominal
- Esdeveniments de sobretensió sostinguts
Quan un component de supressió falla, sovint ho fa com un curt, cosa que provoca que el corrent comenci a fluir pel component fallit. La quantitat de corrent disponible per fluir a través d'aquest component fallit és una funció del corrent d'error disponible i és impulsada pel sistema d'alimentació. Per obtenir més informació sobre els corrents de falles, aneu a la informació relacionada amb la seguretat de SPD.
