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

2.4 El dispositiu de protecció contra sobretensions (SPD)

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.

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 de 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

2.4.1 Característiques del SPD

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

• Característiques comunes

- O_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.

- O_p: Nivell de protecció de tensió (a I_n)

Aquest és el voltatge màxim entre els terminals del SPD quan està actiu. Aquesta tensió s’assoleix quan el corrent que flueix al SPD és igual a I_n. El nivell de protecció de tensió escollit ha de ser inferior a la capacitat de resistència a sobretensió de les càrregues (vegeu la secció 3.2). En cas de cops de llamp, la tensió a través dels terminals del SPD generalment és inferior a U_p.

- Jo_n: Corrent nominal de descàrrega

Aquest és el valor màxim d’una forma d’ona de corrent de 8/20 μs que l’SPD és capaç de descarregar 15 vegades.

• Escriviu 1 SPD

- Jo_dimoniet: Impuls actualment

Aquest és el valor màxim d’una forma d’ona de corrent de 10/350 μs que l’SPD és capaç de descarregar 5 vegades.

- Jo_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

- Jo_màx: Corrent de descàrrega màxim

Aquest és el valor màxim d’una forma d’ona de corrent de 8/20 μs que l’SPD és capaç de descarregar una vegada.

• Escriviu 3 SPD

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

2.4.2 Principals aplicacions

• SPD de baixa tensió

Amb aquest terme es designen 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.

3 Disseny del sistema de protecció de la instal·lació elèctrica

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

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

3.1 Normes de disseny

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

- la quantitat de SPD;

- tipus;

- nivell d'exposició per definir el corrent de descàrrega màxima I del SPD_màx.

• El dispositiu de protecció contra el curtcircuit

- corrent de descàrrega màxima I_màx;

- corrent de curtcircuit I_sc al punt d’instal·lació.

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

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

• nombre de pols a SPD;
• nivell de protecció de tensió U_p;
• tensió de funcionament U_c.

Aquesta subapartat J3 descriu amb més detall els criteris de selecció del sistema de protecció segons les característiques de la instal·lació, els equips a protegir i el medi ambient.

3.2 Elements del sistema de protecció

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

3.2.1 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 que es vol protegir del dispositiu de protecció d’entrada. Quan les càrregues es situen a més de 30 metres del dispositiu de protecció d’entrada, cal proporcionar una protecció fina addicional el més a prop possible de les càrregues sensibles. Els fenòmens de reflexió d’ones augmenten de 10 metres (vegeu el capítol 6.5)
• 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.

3.4 Selecció d'un SPD de tipus 1

3.4.1 Corrent d'impuls I_dimoniet

• Quan no hi hagi regulacions nacionals o normatives específiques per al tipus d’edifici a protegir, el corrent d’impuls I_dimoniet ha de ser com a mínim de 12.5 kA (ona 10/350 μs) per branca d’acord amb la norma IEC 60364-5-534.

• Quan existeixen normatives: la norma 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.

3.4.2 Autoextingir el seguiment del corrent I_fi

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

3.5 Selecció d'un SPD de tipus 2

3.5.1 Corrent de descàrrega màxima I_màx

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 (I_màx) es determina mitjançant una anàlisi de riscos (vegeu la taula de la figura J32).

3.6 Selecció del dispositiu extern de protecció contra el curtcircuit (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 generar 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.

3.6.1 Riscos que s’han d’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:

- Superació de la capacitat màxima de descàrrega.

Aquest error provoca un fort curtcircuit.

- Un error a causa del sistema de distribució (commutació de neutre / fase, neutre)

desconnexió).

- 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'ha 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.

3.6.2 Característiques del SCPD (dispositiu de protecció contra el curtcircuit) 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 I_n.

Resistència de corrent de curtcircuit

• La capacitat de trencament està determinat 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.

3.6.3 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 automàtic de connexió amunt d'una instal·lació).

• 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.

Nota: en el cas d’un SPD amb tub de descàrrega de gas o espai encenallat encapsulat, el SCPD permet tallar el corrent immediatament després de l’ús.

Nota: Els dispositius de corrent residual tipus S conformes a la norma IEC 61008 o IEC 61009-1 compleixen aquest requisit.

3.7.1 Coordinació amb dispositius de protecció aigües amunt

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 discriminació 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).

4 Instal·lació de SPD

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 terminals de terra no ha de superar els 50 cm.

4.1 Connexió

Una de les característiques essencials per a la protecció dels equips és el nivell màxim de protecció de tensió (U instal·lat_p) que l'equip pot suportar als seus terminals. En conseqüència, s’ha de triar un SPD amb un nivell de protecció de tensió U_p 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 als 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: ∆U = 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.

∆U = 1 x 10^-6 x 8 x 10³ / 8 x 10^-6 = 1000 V

Com a resultat, la tensió a través dels terminals de l'equip, instal·lats a dalt, és:

instal·lat U_p =U_p + 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 U_p + 500 V.

4.1.1 Connexió al recinte de plàstic

La figura J39a següent mostra com connectar un SPD al recinte de plàstic.

4.1.2 Connexió al recinte 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 J39b).

Aquesta disposició compleix la norma IEC 61439-2 i el fabricant ASSEMBLY s'ha d'assegurar que les característiques del recinte fan possible aquest ús.

4.1.3 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 IEC 60364 recomana al final de la instal·lació una secció transversal mínima de:

- 4 mm² (Cu) per a la connexió de SPD tipus 2;

- 16 mm² (Cu) per a la connexió de SPD tipus 1 (presència d'un sistema de protecció contra llamps).

4.2 Normes de cablejat

• 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 terminals de terra no ha de superar els 50 cm.

La figura J40 mostra les dues possibilitats de connexió d’un SPD.

• Regla 2: Els conductors dels alimentadors sortints protegits:

- s'hauria de connectar als terminals del SCPD extern o del SPD;

- s'ha de separar físicament dels conductors d'entrada contaminats.

Es troben a la dreta dels terminals del SPD i del SCPD (vegeu la figura J41).

• 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 J42).
• 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 J42).
• 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 J42).

Aplicació 5

5.1 Exemples d'instal·lació

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_p <1.5 kV) es troben a més de 30 m del dispositiu de protecció entrant, els descargadors 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 cambra frigorífica:

- Els interruptors automàtics de corrent residual tipus “si” s’utilitzaran per evitar les molèsties provocades per l’augment del potencial terrestre quan passa l’ona llampec.

• Per a protecció contra sobretensions atmosfèriques:

- instal·leu un descargador de sobretensions a la central principal

- instal·leu un descarregador de protecció fina a cada centraleta (1 i 2) que subministri els dispositius sensibles situats a més de 30 m de l’aparell de sobretensions entrants

- 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

- Assegurar l’equipotencialitat de les terminacions de terra de l’edifici.

- Reduïu les zones del cable d'alimentació en bucle.

Recomanacions d'instal·lació

• Instal·leu un descargador de sobretensions, Imax = 40 kA (8/20 μs) i un interruptor automàtic iC60 de 20 A.
• Instal·leu protectors contra sobretensions de protecció fina, Imax = 8 kA (8/20 μs) i els interruptors de desconnexió iC60 associats classificats en 20.