Protecció contra sobretensions i corrents de corrent de llamp

Protecció contra sobretensions i corrents de corrent de llamp

Sobretensió d’origen atmosfèric
Definicions de sobretensió

Sobretensió (en un sistema) qualsevol tensió entre un conductor de fase i la terra o entre conductors de fase que tinguin un valor de pic superior al corresponent pic de la tensió més alta per a la definició d'equips del Vocabulari Electrotècnic Internacional (IEV 604-03-09)

Diversos tipus de sobretensió

Una sobretensió és un pols o ona de tensió que se superposa a la tensió nominal de la xarxa (vegeu la figura J1)

Aquest tipus de sobretensió es caracteritza per (vegeu la figura J2):

• el temps de pujada tf (en μs);
• el gradient S (en kV / μs).

Una sobretensió pertorba els equips i produeix radiació electromagnètica. A més, la durada de la sobretensió (T) provoca un pic d’energia als circuits elèctrics que podria destruir l’equip.
Fig. J2 - Característiques principals d'una sobretensió

Quatre tipus de sobretensió poden molestar les instal·lacions elèctriques i les càrregues:

• Sobretensions de commutació: sobretensions d’alta freqüència o pertorbacions d’explosió (vegeu la figura J1) causades per un canvi en l’estat estacionari en una xarxa elèctrica (durant el funcionament del commutador).
• Sobretensions de potència-freqüència: sobretensions de la mateixa freqüència que la xarxa (50, 60 o 400 Hz) causades per un canvi d’estat permanent a la xarxa (després d’una avaria: avaria d’aïllament, avaria del conductor neutre, etc.).
• Sobretensions causades per descàrregues electrostàtiques: sobretensions molt curtes (uns quants nanosegons) de molt alta freqüència causades per la descàrrega de càrregues elèctriques acumulades (per exemple, una persona que camina sobre una catifa amb soles aïllants està carregada elèctricament amb una tensió de diversos kilovolts).
• Sobretensions d’origen atmosfèric.

Característiques de sobretensió d’origen atmosfèric

Cops de llamp en algunes figures: els llamps produeixen una quantitat extremadament gran d’energia elèctrica pulsada (vegeu la figura J4)

• de diversos milers d'amperis (i diversos milers de volts)
• d'alta freqüència (aproximadament 1 megahertz)
• de curta durada (d'un microsegon a un mil·lisegon)

Entre el 2000 i el 5000, les tempestes s’estan formant constantment a tot el món. Aquestes tempestes s’acompanyen de cops de llamp que representen un perill greu per a les persones i els equips. Els llamps colpegen el terra a una mitjana de 30 a 100 cops per segon, és a dir, 3 milions de cops de llamp cada any.

La taula de la figura J3 mostra alguns valors de llamp amb la seva probabilitat relacionada. Com es pot veure, el 50% dels cops de llamp tenen una intensitat superior a 35 kA i un 5% una intensitat superior a 100 kA. L’energia transmesa pel llamp és, per tant, molt elevada.

Fig. J3 - Exemples de valors de descàrrega de raigs donats per la norma IEC 62305-1 (2010 - Taula A.3)

Fig. J4 - Exemple de corrent llampec

Els llamps també provoquen un gran nombre d'incendis, principalment a les zones agrícoles (destruint cases o fent-les inadequades per al seu ús). Els edificis de gran alçada són especialment propensos als cops de llamp.

Efectes sobre les instal·lacions elèctriques

Un llamp danya especialment els sistemes elèctrics i electrònics: transformadors, comptadors d’electricitat i aparells elèctrics tant en locals residencials com industrials.

El cost de reparar els danys causats pels llamps és molt elevat. Però és molt difícil avaluar les conseqüències de:

• pertorbacions causades en ordinadors i xarxes de telecomunicacions;
• errors generats en l'execució de programes de controlador lògic programable i sistemes de control.

A més, el cost de les pèrdues operatives pot ser molt superior al valor de l'equip destruït.

Impactes de cops de llamp

El llamp és un fenomen elèctric d’alta freqüència que provoca sobretensions en tots els elements conductors, especialment en els cables i equips elèctrics.

Els llamps poden afectar els sistemes elèctrics (i / o electrònics) d’un edifici de dues maneres:

• per l'impacte directe del llamp sobre l'edifici (vegeu la figura J5 a);
• per impacte indirecte del llamp sobre l'edifici:
• Un cop de llamp pot caure sobre una línia elèctrica aèria que subministra un edifici (vegeu la figura J5 b). La sobrecorrent i la sobretensió es poden estendre diversos quilòmetres des del punt d’impacte.
• Un cop de llamp pot caure a prop d'una línia elèctrica (vegeu la figura J5 c). És la radiació electromagnètica del corrent de llamp que produeix un corrent elevat i una sobretensió a la xarxa d’alimentació elèctrica. En els dos darrers casos, els corrents i tensions perillosos són transmesos per la xarxa d’alimentació.

Un llamp pot caure a prop d’un edifici (vegeu la figura J5 d). El potencial terrestre al voltant del punt d’impacte augmenta perillosament.

Fig. J5 - Diversos tipus d'impacte llampec

En tots els casos, les conseqüències per a les instal·lacions i càrregues elèctriques poden ser dramàtiques.

Fig. J6: Conseqüència d'un impacte de llamp

Un llamp cau sobre un edifici sense protecció.	Un llamp cau prop d’una línia aèria.	Un llamp cau a prop d’un edifici.
El corrent de llamp flueix cap a la terra a través de les estructures més o menys conductores de l’edifici amb efectes molt destructius: efectes tèrmics: Sobrecalentament molt violent de materials, provocant incendi efectes mecànics: deformació estructural flashover tèrmic: fenomen extremadament perillós en presència de materials inflamables o explosius (hidrocarburs, pols, etc.)	El corrent de llamp genera sobretensions a través de la inducció electromagnètica al sistema de distribució. Aquestes sobretensions es propaguen al llarg de la línia fins als equips elèctrics a l'interior dels edificis.	El cop de llamp genera els mateixos tipus de sobretensió que els oposats descrits. A més, el corrent de llamp torna a pujar de la terra a la instal·lació elèctrica, provocant així l’avaria de l’equip.
L’edifici i les instal·lacions a l’interior de l’edifici generalment són destruïdes	Les instal·lacions elèctriques a l’interior de l’edifici es destrueixen generalment.

Els diversos modes de propagació

Mode comú

Les sobretensions de mode comú apareixen entre els conductors actius i la terra: fase a terra o neutre a terra (vegeu la figura J7). Són perillosos, especialment per als aparells el bastidor està connectat a terra a causa de riscos de ruptura dielèctrica.

Fig. J7: mode comú

Mode diferencial

Hi ha sobretensions de mode diferencial entre conductors actius:

fase a fase o fase a neutre (vegeu la figura J8). Són especialment perillosos per a equips electrònics, maquinari sensible com sistemes informàtics, etc.

Fig. J8: mode diferencial

Caracterització de l’ona llampec

L'anàlisi dels fenòmens permet definir els tipus d'ones de corrent i tensió llampec.

• Les normes IEC consideren 2 tipus d'ona de corrent:
• Onada de 10/350 µs: per caracteritzar les ones actuals a partir d'un cop de llamp directe (vegeu la figura J9);

Fig. J9 - ona de corrent de 10/350 µs

• Onada de 8/20 µs: per caracteritzar les ones actuals d'un cop de llamp indirecte (vegeu la figura J10).

Fig. J10 - ona de corrent de 8/20 µs

Aquests dos tipus d'ones de corrent llampec s'utilitzen per definir proves sobre SPD (norma IEC 61643-11) i la immunitat dels equips als corrents llampecs.

El valor màxim de l’ona actual caracteritza la intensitat del cop de llamp.

Les sobretensions creades per cops de llamp es caracteritzen per una ona de tensió d'1.2 / 50 µs (vegeu la figura J11).

Aquest tipus d’ona de tensió s’utilitza per verificar que els equips suporten sobretensions d’origen atmosfèric (tensió d’impuls segons IEC 61000-4-5).

Fig. J11 - ona de tensió 1.2 / 50 µs

Principi de protecció contra llamps
Normes generals de protecció contra raigs

Procediment per evitar riscos de llamp
El sistema per protegir un edifici contra els efectes dels llamps ha d’incloure:

• protecció d’estructures contra cops de llamp directes;
• protecció d’instal·lacions elèctriques contra cops de llamp directes i indirectes.

El principi bàsic per protegir la instal·lació contra el risc de llamps és evitar que l'energia pertorbadora arribi a equips sensibles. Per aconseguir-ho, cal:

• capteu el corrent de llamp i canalitzeu-lo a la terra a través del camí més directe (evitant la proximitat d’equips sensibles);
• realitzar un enllaç equipotencial de la instal·lació; Aquest enllaç equipotencial s’implementa mitjançant conductors d’unió, complementats per dispositius de protecció contra sobretensions (SPD) o espacies (per exemple, espadanya d’antena).
• minimitzeu els efectes induïts i indirectes mitjançant la instal·lació de SPD i / o filtres. S'utilitzen dos sistemes de protecció per eliminar o limitar les sobretensions: es coneixen com a sistema de protecció de l'edifici (per a l'exterior dels edificis) i el sistema de protecció de la instal·lació elèctrica (per a l'interior dels edificis).

Sistema de protecció de l’edifici

La funció del sistema de protecció de l’edifici és protegir-lo contra els llamps directes.
El sistema consta de:

• el dispositiu de captura: el sistema de protecció contra llamps;
• conductors de baixada dissenyats per transmetre el corrent de llamp a la terra;
• Conduccions de terra de “peu de gall” connectades entre si;
• enllaços entre tots els marcs metàl·lics (enllaç equipotencial) i els cables de terra.

Quan el corrent de llamp flueix en un conductor, si apareixen diferències de potencial entre aquest i els marcs connectats a la terra que es troben a les rodalies, aquest últim pot provocar flashovers destructius.

Els 3 tipus del sistema de protecció contra llamps
S'utilitzen tres tipus de protecció de l'edifici:

El parallamps (parabrisa simple o amb sistema de disparador)

El parallamps és una punta de captura metàl·lica situada a la part superior de l’edifici. Està connectat a terra per un o més conductors (sovint tires de coure) (vegeu la figura J12).

Fig. J12 - Parallamps (vareta senzilla o amb sistema de disparador)

El parallamps amb cables tensats

Aquests cables s’estiren per sobre de l’estructura a protegir. S'utilitzen per protegir estructures especials: zones de llançament de coets, aplicacions militars i protecció de línies aèries d'alta tensió (vegeu la figura J13).

Fig. J13: cables tensats

El parallamps amb gàbia mallada (gàbia Faraday)

Aquesta protecció consisteix a col·locar nombrosos conductors / cintes de baix simètricament a tot l'edifici. (vegeu la figura J14).

Aquest tipus de sistemes de protecció contra llamps s’utilitzen en edificis altament exposats que allotgen instal·lacions molt sensibles, com ara sales d’ordinadors.

Fig. J14 - Gàbia mallada (gàbia Faraday)

Conseqüències de la protecció de l'edifici per a l'equipament de la instal·lació elèctrica

El 50% del corrent de llamp descarregat pel sistema de protecció de l'edifici torna a pujar a les xarxes de terra de la instal·lació elèctrica (vegeu la figura J15): l'augment potencial dels marcs supera amb freqüència la capacitat de resistència a l'aïllament dels conductors de les diverses xarxes ( BT, telecomunicacions, cable de vídeo, etc.).

A més, el flux de corrent a través dels conductors descendents genera sobretensions induïdes a la instal·lació elèctrica.

Com a conseqüència, el sistema de protecció de l’edifici no protegeix la instal·lació elèctrica: per tant, és obligatori preveure un sistema de protecció de la instal·lació elèctrica.

Fig. J15 - Corrent de retrocés directe

Protecció contra llamps - Sistema de protecció d’instal·lacions elèctriques

L’objectiu principal del sistema de protecció d’instal·lacions elèctriques és limitar les sobretensions a valors acceptables per a l’equip.

El sistema de protecció de la instal·lació elèctrica consta de:

• un o més SPD en funció de la configuració de l'edifici;
• l'enllaç equipotencial: una malla metàl·lica de parts conductores exposades.

Implementació

El procediment per protegir els sistemes elèctrics i electrònics d’un edifici és el següent.

Cerqueu informació

• Identifiqueu totes les càrregues sensibles i la seva ubicació a l’edifici.
• Identificar els sistemes elèctrics i electrònics i els seus respectius punts d’entrada a l’edifici.
• Comproveu si hi ha un sistema de protecció contra llamps a l’edifici o als voltants.
• Conegueu la normativa aplicable a la ubicació de l’edifici.
• Avalueu el risc de llamps segons la ubicació geogràfica, el tipus de subministrament elèctric, la densitat de llamps, etc.

Implementació de la solució

• Instal·leu conductors d’unió als marcs mitjançant una malla.
• Instal·leu un SPD a la centraleta d'entrada de BT.
• Instal·leu un SPD addicional a cada placa de subdistribució ubicada a prop d’equips sensibles (vegeu la figura J16).

Fig. J16 - Exemple de protecció d'una instal·lació elèctrica a gran escala

El dispositiu de protecció contra sobretensions (SPD)

Els dispositius de protecció contra sobretensions (SPD) s’utilitzen per a xarxes d’alimentació elèctrica, xarxes telefòniques i autobusos de comunicació i control automàtic.

El dispositiu de protecció contra sobretensions (SPD) és un component del sistema de protecció de la instal·lació elèctrica.

Aquest dispositiu està connectat en paral·lel al circuit d'alimentació de les càrregues que ha de protegir (vegeu la figura J17). També es pot utilitzar a tots els nivells de la xarxa d’alimentació.

Aquest és el tipus de protecció contra sobretensió més utilitzat i més eficaç.

Fig. J17 - Principi del sistema de protecció en paral·lel

El SPD connectat en paral·lel té una alta impedància. Un cop apareix la sobretensió transitòria al sistema, la impedància del dispositiu disminueix, de manera que el corrent de sobretensió es condueix a través del SPD, passant per alt els equips sensibles.

Principi

El SPD està dissenyat per limitar les sobretensions transitòries d’origen atmosfèric i desviar les ones de corrent cap a la terra, de manera que limita l’amplitud d’aquesta sobretensió a un valor que no sigui perillós per a la instal·lació elèctrica i els aparells de commutació i control elèctrics.

El SPD elimina les sobretensions

• en mode comú, entre fase i neutre o terra;
• en mode diferencial, entre fase i neutre.

En cas que una sobretensió superi el llindar de funcionament, el SPD

• condueix l'energia a la terra, en mode comú;
• distribueix l’energia als altres conductors actius, en mode diferencial.

Els tres tipus de SPD

Escriviu 1 SPD
El SPD de tipus 1 es recomana en el cas específic de serveis i edificis industrials, protegits per un sistema de protecció contra llamps o una gàbia mallada.
Protegeix les instal·lacions elèctriques contra els cops de llamp directes. Pot descarregar el corrent contrari dels llamps que s’estenen des del conductor de terra als conductors de la xarxa.
El SPD tipus 1 es caracteritza per una ona de corrent de 10/350 µs.

Escriviu 2 SPD
El SPD tipus 2 és el principal sistema de protecció per a totes les instal·lacions elèctriques de baixa tensió. Instal·lat a cada quadre elèctric, evita la propagació de sobretensions a les instal·lacions elèctriques i protegeix les càrregues.
El SPD tipus 2 es caracteritza per una ona de corrent de 8/20 µs.

Escriviu 3 SPD
Aquests SPD tenen una baixa capacitat de descàrrega. Per tant, s’han d’instal·lar obligatòriament com a complement al SPD de tipus 2 i a la vora de càrregues sensibles.
El SPD de tipus 3 es caracteritza per una combinació d’ones de tensió (1.2 / 50 μs) i ones de corrent (8/20 μs).

Definició normativa SPD

Fig. J18 - Definició estàndard SPD

Nota 1: Existeixen T1 + T2 SPD (o Tipus 1 + 2 SPD) que combinen la protecció de càrregues contra cops de llamp directes i indirectes.

Nota 2: alguns SPD de T2 també es poden declarar com a T3

Característiques del SPD

La norma internacional IEC 61643-11 Edition 1.0 (03/2011) defineix les característiques i proves de SPD connectats a sistemes de distribució de baixa tensió (vegeu la figura J19).

En verd, el rang de funcionament garantit del SPD.
Fig. J19 - Característica temps / corrent d'un SPD amb varistor

Característiques comunes

• U_C: Tensió màxima de funcionament continu. Aquest és el voltatge de CA o CC per sobre del qual s’activa el SPD. Aquest valor es tria segons la tensió nominal i la disposició de terra del sistema.
• U_P: Nivell de protecció de tensió (a I_n). Aquest és el voltatge màxim entre els terminals del SPD quan està actiu. Aquest voltatge s’assoleix quan el corrent que flueix al SPD és igual a In. El nivell de protecció de tensió escollit ha de ser inferior a la capacitat de resistència de sobretensió de les càrregues. En cas de llamps, la tensió a través dels terminals del SPD generalment és inferior a U_P.
• A: Corrent nominal de descàrrega. Aquest és el valor màxim d'una forma d'ona de corrent de 8/20 µs que el SPD és capaç de descarregar un mínim de 19 vegades.

Per què és important In?
In correspon a un corrent nominal de descàrrega que un SPD pot suportar almenys 19 vegades: un valor més alt de In significa una vida més llarga per al SPD, de manera que es recomana triar valors superiors al valor mínim imposat de 5 kA.

Escriviu 1 SPD

• I_dimoniet: Corrent d'impuls. Aquest és el valor màxim d'una forma d'ona de corrent de 10/350 µs que el SPD és capaç de descarregar i descarregar almenys una vegada.

Per què sóc jo?_dimoniet important?
La norma IEC 62305 requereix un valor de corrent d’impuls màxim de 25 kA per pol per al sistema trifàsic. Això significa que per a una xarxa 3P + N, el SPD hauria de ser capaç de suportar un corrent d’impuls màxim total de 100kA procedent de la unió a terra.

• I_fi: Autoextingeix el seguiment actual. Aplicable només a la tecnologia spark gap. Aquest és el corrent (50 Hz) que el SPD pot interrompre per si mateix després del flashover. Aquest corrent sempre ha de ser superior al corrent de curtcircuit potencial al punt d’instal·lació.

Escriviu 2 SPD

• Imax: corrent de descàrrega màxim. Aquest és el valor màxim d'una forma d'ona de corrent de 8/20 µs que el SPD és capaç de descarregar una vegada.

Per què és important Imax?
Si compareu 2 SPD amb el mateix In, però amb Imax diferent: el SPD amb un valor Imax més alt té un "marge de seguretat" més alt i pot suportar un corrent de pujada més alt sense que es faci malbé.

Escriviu 3 SPD

• U_OC: Voltatge de circuit obert aplicat durant les proves de classe III (tipus 3).

principals aplicacions

• SPD de baixa tensió. Aquest terme designa dispositius molt diferents, tant des del punt de vista tecnològic com d’ús. Els SPD de baixa tensió són modulars per instal·lar-se fàcilment a les centrals de BT. També hi ha SPD adaptables a preses de corrent, però aquests dispositius tenen una baixa capacitat de descàrrega.

• SPD per a xarxes de comunicació. Aquests dispositius protegeixen les xarxes telefòniques, les xarxes commutades i les xarxes de control automàtic (bus) contra les sobretensions provinents de l’exterior (llamps) i les internes de la xarxa d’alimentació (equips contaminants, funcionament de quadres, etc.). Aquests SPD també s’instal·len en connectors RJ11, RJ45, ... o s’integren en càrregues.

notes

1. Seqüència de prova segons la norma IEC 61643-11 per SPD basada en MOV (varistor). Un total de 19 impulsos a I_n:

• Un impuls positiu
• Un impuls negatiu
• 15 impulsos sincronitzats a cada 30 ° a la tensió de 50 Hz
• Un impuls positiu
• Un impuls negatiu

2. per al tipus 1 SPD, després dels 15 impulsos a I_n (vegeu la nota anterior):

• Un impuls a 0.1 x I_dimoniet
• Un impuls a 0.25 x I_dimoniet
• Un impuls a 0.5 x I_dimoniet
• Un impuls a 0.75 x I_dimoniet
• Un impuls a I_dimoniet

Disseny del sistema de protecció d’instal·lacions elèctriques
Normes de disseny del sistema de protecció d’instal·lacions elèctriques

Per protegir una instal·lació elèctrica en un edifici, s'apliquen normes senzilles per triar

• SPD (s);
• el seu sistema de protecció.

Per a un sistema de distribució d'energia, les principals característiques utilitzades per definir el sistema de protecció contra llamps i seleccionar un SPD per protegir una instal·lació elèctrica en un edifici són:

• SPD
• quantitat de SPD
• type
• nivell d’exposició per definir el corrent de descàrrega màxima del SPD Imax.
• El dispositiu de protecció contra el curtcircuit
• corrent de descàrrega màxima Imax;
• corrent de curtcircuit Isc en el punt d’instal·lació.

El diagrama lògic de la figura J20 següent il·lustra aquesta regla de disseny.

Fig. J20 - Esquema lògic per a la selecció d'un sistema de protecció

Les altres característiques per a la selecció d’un SPD estan predefinides per a la instal·lació elèctrica.

• nombre de pols a SPD;
• nivell de protecció de tensió U_P;
• U_C: Tensió màxima de funcionament continu.

Aquest subapartat Disseny del sistema de protecció d’instal·lacions elèctriques descriu amb més detall els criteris de selecció del sistema de protecció segons les característiques de la instal·lació, l’equip a protegir i el medi ambient.

Elements del sistema de protecció

El SPD sempre s’ha d’instal·lar a l’origen de la instal·lació elèctrica.

Ubicació i tipus de SPD

El tipus de SPD que s’instal·larà a l’origen de la instal·lació depèn de la presència o no d’un sistema de protecció contra raigs. Si l’edifici està equipat amb un sistema de protecció contra llamps (segons IEC 62305), s’hauria d’instal·lar un SPD de tipus 1.

Per a SPD instal·lat al final de la instal·lació, les normes d’instal·lació IEC 60364 estableixen valors mínims per a les 2 característiques següents:

• Corrent nominal de descàrrega I_n = 5 kA (8/20) µs;
• Nivell de protecció contra tensió U_P(a I_n) <2.5 kV.

El nombre de SPD addicionals que s’instal·laran està determinat per:

• la mida del lloc i la dificultat d’instal·lar conductors d’unió. En llocs grans, és essencial instal·lar un SPD a l’extrem entrant de cada recinte de subdistribució.
• la distància que separa les càrregues sensibles a protegir del dispositiu de protecció final entrant. Quan les càrregues es situen a més de 10 metres del dispositiu de protecció d’entrada, cal proporcionar una protecció fina addicional el més a prop possible de les càrregues sensibles. El fenomen de la reflexió de les ones augmenta a partir dels 10 metres. Vegeu Propagació d'una ona de llamp
• el risc d’exposició. En el cas d’un lloc molt exposat, el SPD d’entrada no pot assegurar tant un alt flux de corrent de llamp com un nivell de protecció de voltatge suficientment baix. En particular, un SPD de tipus 1 s’acompanya generalment d’un SPD de tipus 2.

La taula de la figura J21 següent mostra la quantitat i el tipus de SPD que cal establir sobre la base dels dos factors definits anteriorment.

Fig. J21 - Els 4 casos d'implementació de SPD

Nivells de protecció distribuïts

Diversos nivells de protecció de SPD permeten distribuir l'energia entre diversos SPD, tal com es mostra a la figura J22, en què es preveuen els tres tipus de SPD:

• Tipus 1: quan l'edifici està equipat amb un sistema de protecció contra llamps i es troba a l'extrem d'entrada de la instal·lació, absorbeix una gran quantitat d'energia;
• Tipus 2: absorbeix sobretensions residuals;
• Tipus 3: proporciona protecció "fina" si és necessari per a l'equip més sensible situat molt a prop de les càrregues.

Nota: Els SPD de tipus 1 i 2 es poden combinar en un SPD únic
Fig. J22 - Arquitectura de protecció fina

Característiques habituals dels SPD segons les característiques de la instal·lació
Tensió màxima de funcionament continu Uc

En funció de la disposició de terra del sistema, la tensió màxima de funcionament continu U_C de SPD ha de ser igual o superior als valors que es mostren a la taula de la figura J23.

Fig. J23 - Valor mínim estipulat d'U_C per SPD en funció de la disposició de terra del sistema (basat en la taula 534.2 de la norma IEC 60364-5-53)

N / A: no aplicable
U: tensió de línia a línia del sistema de baixa tensió
a. aquests valors estan relacionats amb les pitjors condicions de fallada, per tant no es té en compte la tolerància del 10%.

Els valors més comuns de la UC triats segons la disposició de posada a terra del sistema.
TT, TN: 260, 320, 340 i 350 V
IT: 440, 460 V

Nivell de protecció contra tensió U_P (a I_n)

L'estàndard IEC 60364-4-44 ajuda a triar el nivell de protecció Up per al SPD en funció de les càrregues a protegir. La taula de la figura J24 indica la capacitat de resistència a l’impuls de cada tipus d’equip.

Fig. J24 - Tensió d’impuls nominal requerida de l’equip Uw (taula 443.2 de la IEC 60364-4-44)

a. Segons la norma IEC 60038: 2009.
b. Aquesta tensió nominal d’impuls s’aplica entre conductors actius i PE.
c. Al Canadà i als Estats Units, per a tensions a terra superiors a 300 V, s'aplica la tensió nominal impulsiva corresponent a la següent tensió més alta d'aquesta columna.
d. Per a operacions de sistemes informàtics a 220-240 V, s’ha d’utilitzar la fila 230/400, a causa de la tensió a terra a la falla a terra d’una línia.

Fig. J25 - Categoria d'equips de sobretensió

	Equips de la categoria de sobretensió Només sóc adequat per a la instal·lació fixa d’edificis on s’apliquen mitjans de protecció fora de l’equip, per limitar les sobretensions transitòries al nivell especificat. Exemples d’aquest tipus d’equips són aquells que contenen circuits electrònics com ordinadors, aparells amb programes electrònics, etc.
	Els equips de categoria de sobretensió II són adequats per a la connexió a la instal·lació elèctrica fixa, proporcionant un grau normal de disponibilitat normalment requerit per a equips que utilitzen corrent. Alguns exemples d’aquest equip són els electrodomèstics i càrregues similars.
	Els equips de categoria de sobretensió III s’utilitzen en instal·lacions fixes aigües avall de la placa de distribució principal i inclouen un alt grau de disponibilitat. Exemples d’aquests equips són les plaques de distribució, els interruptors automàtics, els sistemes de cablejat, inclosos els cables, barres de bus, caixes de connexió, interruptors, preses de corrent) a la instal·lació fixa, i els equips per a ús industrial i alguns altres equips, per exemple, els motors estacionaris amb connexió permanent a la instal·lació fixa.
	Els equips de la categoria de sobretensió IV són adequats per utilitzar-se o a la vora de l’origen de la instal·lació, per exemple, aigües amunt del tauler de distribució principal. Alguns exemples d’aquests equips són els comptadors d’electricitat, els dispositius primaris de protecció contra sobrecorrent i les unitats de control d’ondulacions.

La U "instal·lada"_P el rendiment s’ha de comparar amb la capacitat de resistència a l’impuls de les càrregues.

El SPD té un nivell de protecció de tensió U_P això és intrínsec, és a dir, definit i provat independentment de la seva instal·lació. A la pràctica, per a l'elecció de U_P El rendiment d’un SPD s’ha de prendre un marge de seguretat per permetre les sobretensions inherents a la instal·lació del SPD (vegeu la figura J26 i Connexió del dispositiu de protecció contra sobretensions).

Fig. J26 - U instal·lat_P

El nivell de protecció de tensió U “instal·lat”_P generalment adoptat per protegir equips sensibles en instal·lacions elèctriques de 230/400 V és de 2.5 kV (categoria de sobretensió II, vegeu la figura J27).

Nota:
Si el SPD d’entrada no pot assolir el nivell de protecció de tensió estipulat o si els equips sensibles són remots (vegeu Elements del sistema de protecció # Ubicació i tipus de SPD Ubicació i tipus de SPD, s’ha d’instal·lar SPD coordinat addicional per aconseguir el nivell de protecció requerit.

Nombre de pals

• Depenent de la disposició de connexió a terra del sistema, cal proporcionar una arquitectura SPD que garanteixi la protecció en mode comú (CM) i diferencial (DM).

Fig. J27 - Necessitats de protecció segons la disposició de terra del sistema

a. La protecció entre fase i neutre es pot incorporar al SPD situat a l’origen de la instal·lació o bé es pot retirar a prop de l’equip a protegir
b. Si es distribueix neutral

Nota:

Sobretensió de mode comú
Una forma bàsica de protecció és instal·lar un SPD en mode comú entre fases i el conductor PE (o PEN), independentment del tipus de disposició de terra del sistema que s’utilitzi.

Sobretensió en mode diferencial
Als sistemes TT i TN-S, la posada a terra del neutre provoca una asimetria a causa de les impedàncies de terra que condueix a l'aparició de tensions en mode diferencial, tot i que la sobretensió induïda per un cop de llamp és de mode comú.

SPD 2P, 3P i 4P
(vegeu la figura J28)
S’adapten als sistemes IT, TN-C, TN-CS.
Proporcionen protecció només contra sobretensions de mode comú

Fig. J28 - SPD de 1P, 2P, 3P, 4P

1D + N, 3P + N SPD
(vegeu la figura J29)
S’adapten als sistemes TT i TN-S.
Proporcionen protecció contra sobretensions de mode comú i diferencial

Fig. J29 - 1P + N, 3P + N SPD

Selecció d'un SPD tipus 1
Impuls actual d'Iimp

• Quan no hi hagi regulacions nacionals o regulacions específiques per al tipus d’edifici que es vol protegir: el corrent d’impuls Iimp serà com a mínim de 12.5 kA (ona de 10/350 µs) per branca d’acord amb la norma IEC 60364-5-534.
• Quan existeix una normativa: la norma IEC 62305-2 defineix 4 nivells: I, II, III i IV

La taula de la figura J31 mostra els diferents nivells d’I_dimoniet en el cas normatiu.

Fig. J30: exemple bàsic d’I equilibrat_dimoniet distribució de corrent en sistema trifàsic

Fig. J31 - Taula de I_dimoniet valors segons el nivell de protecció de tensió de l'edifici (basat en IEC / EN 62305-2)

Autoextingir el corrent I seguit_fi

Aquesta característica només s’aplica als SPD amb tecnologia d’espurna. L’extinció automàtica segueix l’actual I_fi ha de ser sempre superior al corrent de curtcircuit potencial I_sc al punt d’instal·lació.

Selecció d'un SPD tipus 2
Corrent de descàrrega màxima Imax

El corrent màxim de descàrrega Imax es defineix segons el nivell d’exposició estimat en relació amb la ubicació de l’edifici.
El valor del corrent de descàrrega màxim (Imax) es determina mitjançant l'anàlisi de riscos (vegeu la taula de la figura J32).

Fig. J32 - Corrent de descàrrega màxim recomanat Imax segons el nivell d'exposició

Selecció de dispositiu de protecció de curtcircuit extern (SCPD)

Els dispositius de protecció (tèrmic i curtcircuit) s’han de coordinar amb el SPD per garantir un funcionament fiable, és a dir
garantir la continuïtat del servei:

• suportar ones de corrent llampec
• no generen una tensió residual excessiva.

assegureu una protecció eficaç contra tot tipus de sobrecorrent:

• sobrecàrrega després de la fugida tèrmica del varistor;
• curtcircuit de baixa intensitat (impedant);
• curtcircuit d'alta intensitat.

Riscos que cal evitar al final de la vida dels SPD
A causa de l’envelliment

En el cas d’un final de vida natural a causa de l’envelliment, la protecció és del tipus tèrmic. El SPD amb varistors ha de tenir un seccionador intern que desactivi el SPD.
Nota: El final de la vida útil per fugida tèrmica no afecta els SPD amb un tub de descàrrega de gas o una espurna encapsulada.

Per una falla

Les causes del final de la vida a causa d'un error de curtcircuit són:

• S'ha superat la capacitat màxima de descàrrega. Aquest error provoca un fort curtcircuit.
• Un error a causa del sistema de distribució (commutació de neutre / fase, desconnexió de neutre).
• Deteriorament gradual del varistor.
  Les dues darreres falles resulten en un curtcircuit impedant.
  La instal·lació s’ha de protegir dels danys derivats d’aquest tipus d’errors: el seccionador (tèrmic) intern definit anteriorment no té temps per escalfar-se i, per tant, funcionar.
  S'hauria d'instal·lar un dispositiu especial anomenat "Dispositiu de protecció contra el curtcircuit extern (SCPD extern)", capaç d'eliminar el curtcircuit. Es pot implementar mitjançant un interruptor automàtic o un dispositiu de fusibles.

Característiques del SCPD extern

El SCPD extern s’ha de coordinar amb el SPD. Està dissenyat per satisfer les dues restriccions següents:

Resistent corrent de llamp

La resistència del corrent llampec és una característica essencial del dispositiu de protecció contra el curtcircuit extern de l’SPD.
El SCPD extern no ha de trepitjar 15 corrents d'impuls successius a In.

Resistència de corrent de curtcircuit

• La capacitat de trencament està determinada per les regles d’instal·lació (norma IEC 60364):
  El SCPD extern hauria de tenir una capacitat de ruptura igual o superior al corrent de curtcircuit potencial Isc al punt d’instal·lació (d’acord amb la norma IEC 60364).
• Protecció de la instal·lació contra curtcircuits
  En particular, el curtcircuit impedant dissipa molta energia i s’ha d’eliminar molt ràpidament per evitar danys a la instal·lació i al SPD.
  El fabricant ha de donar l’associació adequada entre un SPD i el seu SCPD extern.

Mode d'instal·lació per a SCPD extern
Dispositiu "en sèrie"

El SCPD es descriu com "en sèrie" (vegeu la figura J33) quan la protecció la realitza el dispositiu de protecció general de la xarxa que es vol protegir (per exemple, un interruptor de connexió aigües amunt d'una instal·lació).

Fig. J33 - SCPD "en sèrie"

Dispositiu "en paral·lel"

El SCPD es descriu com "en paral·lel" (vegeu la figura J34) quan la protecció la realitza específicament un dispositiu de protecció associat amb el SPD.

• El SCPD extern s’anomena “interruptor automàtic de desconnexió” si la funció la realitza un interruptor automàtic.
• L'interruptor de desconnexió pot estar integrat o no al SPD.

Fig. J34 - SCPD "en paral·lel"

Nota:
En el cas d’un SPD amb un tub de descàrrega de gas o una espurna encapsulada, el SCPD permet tallar el corrent immediatament després de l’ús.

Garantia de protecció

El SCPD extern s'ha de coordinar amb el SPD i provar-lo i garantir el fabricant del SPD d'acord amb les recomanacions de la norma IEC 61643-11. També s’ha d’instal·lar d’acord amb les recomanacions del fabricant. A tall d’exemple, vegeu les taules de coordinació Electric SCPD + SPD.

Quan s’integra aquest dispositiu, la conformitat amb la norma del producte IEC 61643-11 garanteix de forma natural la protecció.

Fig. J35: SPD amb SCPD extern, no integrats (iC60N + iPRD 40r) i integrats (iQuick PRD 40r)

Resum de característiques externes de SCPD

A la secció Característiques detallades del SCPD extern es proporciona una anàlisi detallada de les característiques.
La taula de la figura J36 mostra, en un exemple, un resum de les característiques segons els diversos tipus de SCPD extern.

Fig. J36 - Característiques de la protecció al final de la vida d'un SPD de tipus 2 segons els SCPD externs

Mode d'instal·lació per a SCPD extern	En sèrie	En paral · lel
		Associació de protecció de fusible	Associació de protecció del disjonctor	Protecció del disjuntor integrada
Protecció contra sobretensions dels equips	=	=	=	=
	Els SPD protegeixen l'equipament de manera satisfactòria, independentment del tipus de SCPD extern associat
Protecció de la instal·lació al final de la vida útil	-	=	+	+ +
	No hi ha cap garantia de protecció possible	Garantia del fabricant		Total garantia
		La protecció contra els circuits curts d’impedància no està ben assegurada	Protecció contra curtcircuits perfectament garantida
Continuïtat del servei al final de la vida	- -	+	+	+
	Es tanca la instal·lació completa	Només es tanca el circuit SPD
Manteniment al final de la vida	- -	=	+	+
	Cal la parada de la instal·lació	Canvi de fusibles	Restabliment immediat

SPD i taula de coordinació de dispositius de protecció

La taula de la figura J37 següent mostra la coordinació dels interruptors automàtics de desconnexió (SCPD externs) per als SPD de tipus 1 i 2 de la marca XXX Electric per a tots els nivells de corrents de curtcircuit.

La coordinació entre SPD i els seus interruptors automàtics de desconnexió, indicada i garantida per Electric, garanteix una protecció fiable (resistència a les ones del llamp, protecció reforçada dels corrents de curtcircuit d’impedància, etc.)

Fig. J37 - Exemple d'una taula de coordinació entre els SPD i els seus interruptors automàtics de desconnexió. Consulteu sempre les últimes taules proporcionades pels fabricants.

Coordinació amb dispositius de protecció upstream

Coordinació amb dispositius de protecció contra sobrecorrent
En una instal·lació elèctrica, el SCPD extern és un aparell idèntic a l’aparell de protecció: això permet aplicar tècniques de selectivitat i en cascada per a l’optimització tècnica i econòmica del pla de protecció.

Coordinació amb dispositius de corrent residual
Si el SPD s’instal·la aigües avall d’un dispositiu de protecció contra fuites de terra, aquest últim ha de ser del tipus “si” o selectiu amb una immunitat a corrents d’impulsos d’almenys 3 kA (ona de corrent de 8/20 μs).

Instal·lació del dispositiu de protecció contra sobretensions
Connexió del dispositiu de protecció contra sobretensions

Les connexions d'un SPD a les càrregues han de ser el més curtes possibles per tal de reduir el valor del nivell de protecció de tensió (instal·lat a dalt) als terminals de l'equip protegit.

La longitud total de les connexions SPD a la xarxa i al bloc de connexions a terra no ha de superar els 50 cm.

Una de les característiques essencials per a la protecció dels equips és el nivell màxim de protecció de tensió (instal·lat cap amunt) que l’equip pot suportar als seus terminals. En conseqüència, s’ha de triar un SPD amb un nivell de protecció de tensió Up adaptat a la protecció de l’equip (vegeu la figura J38). La longitud total dels conductors de connexió és de

L = L1 + L2 + L3.

Per a corrents d'alta freqüència, la impedància per unitat de longitud d'aquesta connexió és d'aproximadament 1 µH / m.

Per tant, aplicant la llei de Lenz a aquesta connexió: ΔU = L di / dt

L'ona de corrent normalitzada de 8/20 µs, amb una amplitud de corrent de 8 kA, crea en conseqüència un augment de la tensió de 1000 V per metre de cable.

ΔU = 1 x 10-6 x 8 x 103/8 x 10-6 = 1000 V

Fig. J38 - Connexions d'un SPD L <50 cm

Com a resultat, la tensió a través dels terminals de l’equip, equipament U, és:
Equipament U = Amunt + U1 + U2
Si L1 + L2 + L3 = 50 cm i l’ona és de 8/20 µs amb una amplitud de 8 kA, la tensió a través dels terminals de l’equip serà de + 500 V.

Connexió en tancament de plàstic

La figura J39 següent mostra com connectar un SPD en un recinte de plàstic.

Fig. J39 - Exemple de connexió en un recinte de plàstic

Connexió en tancament metàl·lic

En el cas d’un conjunt de quadres en un recinte metàl·lic, pot ser convenient connectar l’SPD directament al recinte metàl·lic, fent servir el recinte com a conductor de protecció (vegeu la figura J40).
Aquesta disposició compleix la norma IEC 61439-2 i el fabricant del muntatge s'ha d'assegurar que les característiques del recinte facin possible aquest ús.

Fig. J40 - Exemple de connexió en tancament metàl·lic

Secció transversal del conductor

La secció mínima recomanada del conductor té en compte:

• El servei normal que es prestarà: flux de l’ona de corrent de llamp sota una caiguda de tensió màxima (regla de 50 cm).
  Nota: A diferència de les aplicacions a 50 Hz, el fenomen del llamp és d'alta freqüència, l'augment de la secció del conductor no redueix en gran mesura la seva impedància d'alta freqüència.
• Resistència dels conductors als corrents de curtcircuit: el conductor ha de resistir un corrent de curtcircuit durant el temps màxim de tall del sistema de protecció.
  La norma CEI 60364 recomana al final de la instal·lació una secció transversal mínima de:
• 4 mm2 (Cu) per a connexió de SPD tipus 2;
• 16 mm2 (Cu) per a la connexió de SPD tipus 1 (presència d'un sistema de protecció contra llamps).

Exemples d’instal·lacions SPD bones i dolentes

Fig. J41 - Exemples d'instal·lacions SPD bones i dolentes

El disseny de la instal·lació de l’equip s’ha de fer d’acord amb les normes d’instal·lació: la longitud dels cables ha de ser inferior a 50 cm.

Normes de cablejat del dispositiu de protecció contra sobretensions
regla 1

La primera regla que cal complir és que la longitud de les connexions SPD entre la xarxa (a través del SCPD extern) i el bloc de borns de terra no ha de superar els 50 cm.
La figura J42 mostra les dues possibilitats per a la connexió d’un SPD.
Fig. J42 - SPD amb SCPD extern independent o integrat

regla 2

Els conductors dels alimentadors sortints protegits:

• hauria d’estar connectat als terminals del SCPD extern o del SPD;
• s’hauria de separar físicament dels conductors entrants contaminats.

Es troben a la dreta dels terminals del SPD i del SCPD (vegeu la figura J43).

Fig. J43 - Les connexions dels alimentadors sortints protegits es troben a la dreta dels terminals SPD

regla 3

Els conductors de fase d'alimentació, neutre i de protecció (PE) entrants haurien de funcionar l'un al costat de l'altre per tal de reduir la superfície del bucle (vegeu la figura J44).

regla 4

Els conductors entrants del SPD haurien d’estar allunyats dels conductors sortints protegits per evitar contaminar-los mitjançant l’acoblament (vegeu la figura J44).

regla 5

Els cables s’han de fixar contra les parts metàl·liques del recinte (si n’hi ha) per tal de minimitzar la superfície del bucle del marc i, per tant, beneficiar-se d’un efecte de protecció contra les pertorbacions EM.

En tots els casos, s’ha de comprovar que els marcs de quadres i tancaments estan connectats a terra mitjançant connexions molt curtes.

Finalment, si s’utilitzen cables blindats, s’han d’evitar grans longituds, ja que redueixen l’eficiència del blindatge (vegeu la figura J44).

Fig. J44 - Exemple de millora de la compatibilitat electromagnètica mitjançant una reducció de les superfícies del bucle i una impedància comuna en un recinte elèctric

Exemples d'aplicació de protecció contra sobretensions

Exemple d'aplicació SPD a Supermarket

Fig. J46 - Xarxa de telecomunicacions

Solucions i diagrama esquemàtic

• La guia de selecció del descàrrega de sobretensions ha permès determinar el valor precís del descargador de sobretensions a l'extrem d'entrada de la instal·lació i el del disjuntor de desconnexió associat.
• Com els dispositius sensibles (U_dimoniet <1.5 kV) es troben a més de 10 m del dispositiu de protecció entrant, els descarregadors de protecció fina s’han d’instal·lar el més a prop possible de les càrregues.
• Per garantir una millor continuïtat del servei a les zones de cambres frigorífiques: s'utilitzaran interruptors automàtics de corrent residual tipus "si" per evitar les molèsties provocades per l'augment del potencial terrestre a mesura que travessa l'ona llampec.
• Per protegir-vos de les sobretensions atmosfèriques: 1, instal·leu un descargador de sobretensions al quadre principal. 2, instal·leu un descargador de sobretensió de protecció fina a cada central (1 i 2) que subministri els dispositius sensibles situats a més de 10 m de l’aparell de sobretensions entrants. 3, instal·leu un descarregador de sobretensions a la xarxa de telecomunicacions per protegir els dispositius subministrats, per exemple, alarmes contra incendis, mòdems, telèfons, faxos.

Recomanacions de cablejat

• Assegureu l’equipotencialitat de les terminacions de terra de l’edifici.
• Reduïu les zones del cable de la font d'alimentació en bucle.

Recomanacions d'instal·lació

• Instal·leu un descargador de sobretensions, I_màx = 40 kA (8/20 µs) i un interruptor automàtic de desconnexió iC60 de 40 A.
• Instal·leu protectors contra sobretensions de protecció fina_màx = 8 kA (8/20 µs) i els interruptors automàtics de desconnexió iC60 associats a 10 A

Fig. J46 - Xarxa de telecomunicacions

SPD per a aplicacions fotovoltaiques

Es poden produir sobretensions en instal·lacions elèctriques per diversos motius. Pot ser causat per:

• La xarxa de distribució com a conseqüència d'un llamp o de qualsevol treball realitzat.
• Llamps (propers o en edificis i instal·lacions fotovoltaiques o en conductors de llamps).
• Variacions del camp elèctric a causa d'un llamp.

Com totes les estructures exteriors, les instal·lacions fotovoltaiques estan exposades al risc de llamps que varien d’una regió a l’altra. Cal disposar de sistemes i dispositius de prevenció i detenció.

Protecció mitjançant unió equipotencial

La primera protecció a posar en marxa és un mitjà (conductor) que garanteix la unió equipotencial entre totes les parts conductores d’una instal·lació fotovoltaica.

L’objectiu és unir tots els conductors i parts metàl·liques a terra i així crear un potencial igual en tots els punts del sistema instal·lat.

Protecció mitjançant dispositius de protecció contra sobretensions (SPD)

Els SPD són particularment importants per protegir els equips elèctrics sensibles com l’inversor AC / DC, els dispositius de control i els mòduls fotovoltaics, però també altres equips sensibles alimentats per la xarxa de distribució elèctrica de 230 VAC. El següent mètode d'avaluació del risc es basa en l'avaluació de la longitud crítica Lcrit i la seva comparació amb L la longitud acumulada de les línies de corrent continu.
Es requereix protecció SPD si L ≥ Lcrit.
Lcrit depèn del tipus d’instal·lació fotovoltaica i es calcula com es mostra a la taula següent (Fig. J47):

Fig. J47 - Elecció SPD DC

L és la suma de:

• la suma de distàncies entre els inversors i les caixes de connexió, tenint en compte que les longituds del cable situat al mateix conducte només es compten una vegada, i
• la suma de distàncies entre la caixa de connexió i els punts de connexió dels mòduls fotovoltaics que formen la corda, tenint en compte que les longituds del cable situat al mateix conducte només es compten una vegada.

Ng és la densitat del llamp d’arc (nombre de cops / km2 / any).

Fig. J48: selecció SPD

Protecció SPD
Ubicació	Mòduls fotovoltaics o caixes de matriu		Inversor costat CC	Inversor lateral de corrent altern		placa principal
	LDC			LAC		Parallamps
Criteris	<10 m	> 10 m		<10 m	> 10 m	Sí	no
Tipus de SPD	No hi ha necessitat	"SPD 1" Tipus 2 [a]	"SPD 2" Tipus 2 [a]	No hi ha necessitat	"SPD 3" Tipus 2 [a]	"SPD 4" Tipus 1 [a]	"SPD 4" Escriviu 2 si Ng> 2.5 i línia aèria

[a]. 1 2 3 4 No s’observa la distància de separació del tipus 1 segons EN 62305.

Instal·lació d’un SPD

El nombre i la ubicació dels SPD al costat de CC depenen de la longitud dels cables entre els panells solars i l’inversor. El SPD s’ha d’instal·lar a les rodalies de l’inversor si la longitud és inferior a 10 metres. Si supera els 10 metres, és necessari un segon SPD que s’ha de situar a la caixa propera al panell solar, el primer es troba a la zona de l’inversor.

Per ser eficients, els cables de connexió SPD a la xarxa L + / L- i entre el bloc de borns de terra i la barra de terra de SPD han de ser el més curts possible: menys de 2.5 metres (d1 + d2 <50 cm).

Generació d'energia fotovoltaica segura i fiable

Depenent de la distància entre la part "generador" i la part "conversió", pot ser necessari instal·lar dos descàrregues de sobretensió o més, per garantir la protecció de cadascuna de les dues parts.

Fig. J49: ubicació SPD

Complements tècnics de protecció contra sobretensions

Normes de protecció contra llamps

La norma IEC 62305 parts 1 a 4 (NF EN 62305 parts 1 a 4) reorganitza i actualitza les publicacions estàndard IEC 61024 (sèrie), IEC 61312 (sèrie) i IEC 61663 (sèrie) sobre sistemes de protecció contra raigs.

Part 1 - Principis generals

Aquesta part presenta informació general sobre els llamps i les seves característiques i dades generals i presenta la resta de documents.

Part 2 - Gestió de riscos

Aquesta part presenta l'anàlisi que permet calcular el risc d'una estructura i determinar els diversos escenaris de protecció per permetre l'optimització tècnica i econòmica.

Part 3 - Danys físics a les estructures i perillositat per a la vida

Aquesta part descriu la protecció contra cops de llamp directes, inclòs el sistema de protecció contra raigs, conductor baixant, cable de terra, equipotencialitat i, per tant, SPD amb unió equipotencial (SPD tipus 1).

Part 4 - Sistemes elèctrics i electrònics dins de les estructures

Aquesta part descriu la protecció contra els efectes induïts pels llamps, inclòs el sistema de protecció per SPD (tipus 2 i 3), blindatge de cables, normes per a la instal·lació de SPD, etc.

Aquesta sèrie d'estàndards es complementa amb:

• la sèrie d'estàndards IEC 61643 per a la definició de productes de protecció contra sobretensions (vegeu Els components d'un SPD);
• la sèrie d’estàndards IEC 60364-4 i -5 per a l’aplicació dels productes en instal·lacions elèctriques BT (vegeu la indicació de final de vida d’un SPD).

Els components d’un SPD

El SPD consisteix principalment en (vegeu la figura J50):

1. un o més components no lineals: la part viva (varistor, tub de descàrrega de gas [GDT], etc.);
2. un dispositiu de protecció tèrmica (seccionador intern) que el protegeix de la fugida tèrmica al final de la vida útil (SPD amb varistor);
3. un indicador que indica el final de la vida del SPD; Alguns SPD permeten la notificació remota d'aquesta indicació;
4. un SCPD extern que proporciona protecció contra curtcircuits (aquest dispositiu es pot integrar al SPD).

Fig. J50 - Esquema d'un SPD

La tecnologia de la part en viu

Hi ha diverses tecnologies disponibles per implementar la part activa. Cadascun té avantatges i desavantatges:

• Díodes Zener;
• El tub de descàrrega de gas (controlat o no controlat);
• El varistor (varistor d'òxid de zinc [ZOV]).

La taula següent mostra les característiques i disposicions de 3 tecnologies d’ús habitual.

Fig. J51 - Taula de rendiment resum

Component	Tub de descàrrega de gas (GDT)	Espurna encapsulada	Varistor d’òxid de zinc	GDT i varistor en sèrie	Espasa d'incendia encapsulada i varistor en paral·lel
Characteristics
Mode d'operació	Commutació de tensió	Commutació de tensió	Limitació de tensió	Canvi de tensió i limitació en sèrie	Canvi de tensió i limitació en paral·lel
Corbes de funcionament
Sol·licitud	Xarxa de telecomunicacions Xarxa BT (associat amb varistor)	Xarxa BT	Xarxa BT	Xarxa BT	Xarxa BT
Tipus SPD	Escriu 2	Escriu 1	Tipus 1 o Tipus 2	Tipus 1+ Tipus 2	Tipus 1+ Tipus 2

Indicació de final de vida d’un SPD

Els indicadors de finalització de vida útil s’associen amb el seccionador intern i el SCPD extern del SPD per informar l’usuari que l’equip ja no està protegit contra sobretensions d’origen atmosfèric.

Indicació local

Aquesta funció sol ser requerida pels codis d'instal·lació. La indicació de final de vida la dóna un indicador (lluminós o mecànic) al seccionador intern i / o al SCPD extern.

Quan el SCPD extern és implementat per un dispositiu de fusibles, és necessari preveure un fusible amb un percutor i una base equipada amb un sistema de disparament per garantir aquesta funció.

Disjonctor de desconnexió integrat

L'indicador mecànic i la posició del mànec de control permeten una indicació natural del final de la vida útil.

Indicació local i informes remots

iQuick PRD SPD de la marca XXX Electric és del tipus “llest per cable” amb un interruptor de desconnexió integrat.

Indicació local

iQuick PRD SPD (vegeu la figura J53) està equipat amb indicadors d’estat mecànics locals:

• l'indicador mecànic (vermell) i la posició del mànec del interruptor de desconnexió indiquen l'apagada del SPD;
• l'indicador mecànic (vermell) de cada cartutx indica el final de la vida útil del cartutx.

Fig. J53 - iQuick PRD 3P + N SPD de la marca XXX Electric

Informes remots

(vegeu la figura J54)

iQuick PRD SPD està equipat amb un contacte d’indicació que permet l’informació remota de:

• cartutx final de vida;
• un cartutx que falta i quan s’ha tornat a col·locar al seu lloc;
• un error a la xarxa (curtcircuit, desconnexió de neutre, inversió de fase / neutre);
• commutació manual local.

Com a resultat, la supervisió remota de l’estat de funcionament dels SPD instal·lats permet assegurar que aquests dispositius de protecció en estat d’espera estiguin sempre a punt per funcionar.

Fig. J54 - Instal·lació del llum indicador amb un SPD iQuick PRD

Fig. J55 - Indicació remota de l'estat SPD mitjançant Smartlink

Manteniment al final de la vida

Quan l'indicador de final de vida indica que s'ha apagat, s'ha de substituir el SPD (o el cartutx en qüestió).

En el cas de l’iQuick PRD SPD, es facilita el manteniment:

• El cartutx al final de la seva vida útil (que s’ha de substituir) és fàcilment identificable pel departament de manteniment.
• El cartutx al final de la vida útil es pot substituir amb total seguretat, ja que un dispositiu de seguretat prohibeix el tancament de l’interruptor de desconnexió si falta un cartutx.

Característiques detallades del SCPD extern

Resistència d'ona actual

L'ona actual resisteix les proves en SCPD externs mostren el següent:

• Per a una determinada classificació i tecnologia (fusible cilíndric o NH), la capacitat de resistència d'ona actual és millor amb un fusible de tipus AM (protecció del motor) que amb un fusible de tipus gG (ús general).
• Per a una qualificació determinada, l’ona de resistència de l’ona actual és millor amb un interruptor que amb un dispositiu de fusibles. La figura J56 següent mostra els resultats de les proves de resistència de les ones de tensió:
• per protegir un SPD definit per a Imax = 20 kA, el SCPD extern a triar és un MCB 16 A o un Fuse aM 63 A, Nota: en aquest cas, un Fuse gG 63 A no és adequat.
• per protegir un SPD definit per Imax = 40 kA, el SCPD extern a triar és un MCB 40 A o un fusible aM 125 A,

Fig. J56 - Comparació de capacitats de suport d'ones de tensió SCPDs per a I_màx = 20 kA i jo_màx = 40 kA

Nivell de protecció de tensió instal·lat

En general:

• La caiguda de tensió entre els terminals d’un interruptor automàtic és superior a la dels terminals d’un dispositiu de fusibles. Això es deu al fet que la impedància dels components de l’interruptor (dispositius de disparament tèrmic i magnètic) és superior a la d’un fusible.

Malgrat això:

• La diferència entre les caigudes de tensió roman lleugera per a les ones de corrent que no superin els 10 kA (95% dels casos);
• El nivell de protecció de la tensió pujada instal·lada també té en compte la impedància del cablejat. Això pot ser elevat en el cas d’una tecnologia de fusibles (dispositiu de protecció remot a l’SPD) i baix en el cas d’una tecnologia de disjonctors (disjuntors propers i fins i tot integrats a l’SPD).

Nota: El nivell de protecció de la tensió pujada instal·lada és la suma de les caigudes de tensió:

• al SPD;
• al SCPD extern;
• al cablejat dels equips

Protecció contra curtcircuits d’impedància

Un curtcircuit d’impedància dissipa molta energia i s’ha d’eliminar molt ràpidament per evitar danys a la instal·lació i al SPD.

La figura J57 compara el temps de resposta i la limitació d’energia d’un sistema de protecció mitjançant un fusible de 63 A aM i un interruptor de 25 A.

Aquests dos sistemes de protecció tenen la mateixa capacitat de resistència d'ona de corrent de 8/20 µs (27 kA i 30 kA respectivament).

Fig. J57 - Comparació de corbes de limitacions de temps / corrent i energia per a un interruptor i un fusible que tenen la mateixa capacitat de resistència d'ona de corrent de 8/20 µs

Propagació d'una ona llampec

Les xarxes elèctriques són de baixa freqüència i, com a resultat, la propagació de l’ona de tensió és instantània en relació amb la freqüència del fenomen: en qualsevol punt d’un conductor, la tensió instantània és la mateixa.

L'ona llampec és un fenomen d'alta freqüència (de diversos centenars de kHz a MHz):

• L'ona llampec es propaga al llarg d'un conductor a una velocitat determinada en relació amb la freqüència del fenomen. Com a resultat, en qualsevol moment, la tensió no té el mateix valor en tots els punts del medi (vegeu la figura J58).

Fig. J58 - Propagació d'una ona de llamp en un conductor

• Un canvi de medi crea un fenomen de propagació i / o reflexió de l’ona en funció de:

1. la diferència d’impedància entre els dos suports;
2. la freqüència de l'ona progressiva (inclinació del temps de pujada en el cas d'un pols);
3. la longitud del mitjà.

En el cas de la reflexió total, en particular, el valor de la tensió pot duplicar-se.

Exemple: el cas de protecció per un SPD

La modelització del fenomen aplicat a una ona de llamp i les proves al laboratori van demostrar que una càrrega alimentada per 30 m de cable protegit aigües amunt per un SPD a tensió Up manté, a causa de fenòmens de reflexió, un voltatge màxim de 2 x U_P (vegeu la figura J59). Aquesta ona de tensió no és energètica.

Fig. J59 - Reflexió d'una ona llampec en acabar un cable

Acció correctiva

Dels tres factors (diferència d’impedància, freqüència, distància), l’únic que es pot controlar realment és la longitud del cable entre el SPD i la càrrega a protegir. Com més gran sigui aquesta longitud, més gran serà el reflex.

En general, per als fronts de sobretensió que s’enfronten en un edifici, els fenòmens de reflexió són significatius a partir de 10 m i poden duplicar el voltatge de 30 m (vegeu la figura J60).

Cal instal·lar un segon SPD en protecció fina si la longitud del cable supera els 10 m entre el SPD d’entrada final i l’equip a protegir.

Fig. J60 - Tensió màxima a l'extremitat del cable segons la seva longitud fins a la part frontal de la tensió incident = 4kV / us

Exemple de corrent llampec en el sistema TT

El SPD de mode comú entre fase i PE o fase i PEN s’instal·la qualsevol tipus d’arranjament de terra del sistema (vegeu la figura J61).

La resistència de terra neutra R1 que s’utilitza per a les pilones té una resistència inferior a la resistència de terra R2 utilitzada per a la instal·lació.

El corrent de llamp fluirà a través del circuit ABCD cap a terra a través del camí més fàcil. Passarà pels varistors V1 i V2 en sèrie, provocant una tensió diferencial igual al doble de la tensió ascendent del SPD (U_P1 + U_P2) que aparegui als terminals d'A i C a l'entrada de la instal·lació en casos extrems.

Fig. J61: només protecció comuna

Per protegir eficaçment les càrregues entre Ph i N, s’ha de reduir la tensió del mode diferencial (entre A i C).

Per tant, s’utilitza una altra arquitectura SPD (vegeu la figura J62)

El corrent de llamp circula pel circuit ABH que té una impedància inferior al circuit ABCD, ja que la impedància del component utilitzat entre B i H és nul·la (gap spark spark-plena). En aquest cas, la tensió diferencial és igual a la tensió residual del SPD (U_P2).

Fig. J62 - Protecció comuna i diferencial