Cómo funciona el dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD)
La capacidad de un SPD para limitar las sobretensiones en la red de distribución eléctrica al desviar las sobrecorrientes es una función de los componentes de protección contra sobretensiones, la estructura mecánica del SPD y la conexión a la red de distribución eléctrica. Un SPD está diseñado para limitar las sobretensiones transitorias y desviar las sobrecorrientes, o ambas cosas. Contiene al menos un componente no lineal. En los términos más simples, los SPD están destinados a limitar las sobretensiones transitorias con el objetivo de evitar daños en los equipos y el tiempo de inactividad debido a sobretensiones transitorias que llegan a los dispositivos que protegen.
Por ejemplo, considere un molino de agua protegido por una válvula de alivio de presión. La válvula de alivio de presión no hace nada hasta que se produce un pulso de sobrepresión en el suministro de agua. Cuando eso sucede, la válvula se abre y desvía la presión adicional a un lado, para que no llegue a la rueda hidráulica.
Si la válvula de alivio no estaba presente, la presión excesiva podría dañar la rueda hidráulica, o quizás la articulación de la sierra. A pesar de que la válvula de alivio está en su lugar y funciona correctamente, algo del pulso de presión todavía llegará a la rueda. Pero la presión se habrá reducido lo suficiente como para no dañar la rueda hidráulica o interrumpir su funcionamiento. Esto describe la acción de los SPD. Reducen los transitorios a niveles que no dañarán ni interrumpirán el funcionamiento de equipos electrónicos sensibles.
Tecnologías utilizadas
¿Qué tecnologías se utilizan en los SPD?
De IEEE Std. C62.72: Algunos componentes de protección contra sobretensiones comunes que se utilizan en la fabricación de SPD son los varistores de óxido metálico (MOV), los diodos de ruptura de avalancha (ABD, anteriormente conocidos como diodos de avalancha de silicio o SAD) y los tubos de descarga de gas (GDT). Los MOV son la tecnología más utilizada para la protección de circuitos de alimentación de CA. La clasificación de sobrecorriente de un MOV está relacionada con el área de la sección transversal y su composición. En general, cuanto mayor sea el área de la sección transversal, mayor será la clasificación de sobrecorriente del dispositivo. Los MOV generalmente son de geometría redonda o rectangular, pero vienen en una plétora de dimensiones estándar que van desde 7 mm (0.28 pulgadas) a 80 mm (3.15 pulgadas). Los valores nominales de sobretensión de estos componentes de protección contra sobretensiones varían ampliamente y dependen del fabricante. Como se discutió anteriormente en esta cláusula, al conectar los MOV en una matriz en paralelo, se podría calcular un valor de sobrecorriente simplemente sumando las clasificaciones de sobrecorriente de los MOV individuales para obtener la clasificación de sobrecorriente de la matriz. Al hacerlo, se debe considerar la coordinación de las características operativas de los MOV seleccionados.
Hay muchas hipótesis sobre qué componente, qué topología y el despliegue de tecnología específica produce el mejor SPD para desviar la sobrecorriente. En lugar de presentar todas las opciones, es mejor que la discusión de la clasificación de la corriente de sobretensión, la clasificación de la corriente de descarga nominal o las capacidades de la corriente de sobretensión gire en torno a los datos de prueba de rendimiento. Independientemente de los componentes utilizados en el diseño o de la estructura mecánica específica implementada, lo que importa es que el SPD tenga una clasificación de sobrecorriente o una clasificación de corriente de descarga nominal que sea adecuada para la aplicación.
A continuación se ofrece una descripción más extensa de estos componentes. Los componentes utilizados en los SPD varían considerablemente. Aquí hay una muestra de esos componentes:
Varistor de óxido de metal (MOV)
Normalmente, los MOV consisten en un cuerpo de forma redonda o rectangular de óxido de zinc sinterizado con aditivos adecuados. Otros tipos en uso incluyen formas tubulares y estructuras multicapa. Los varistores tienen electrodos de partículas metálicas que consisten en una aleación de plata u otro metal. Los electrodos pueden haber sido aplicados al cuerpo mediante tamizado y sinterización o por otros procesos dependiendo del metal utilizado. Los varistores también suelen tener cables o lengüetas o algún otro tipo de terminación que puede haberse soldado al electrodo.
El mecanismo de conducción básico de los MOV resulta de las uniones de semiconductores en el límite de los granos de óxido de zinc formados durante un proceso de sinterización. El varistor puede considerarse un dispositivo de unión múltiple con muchos granos que actúan en combinación en serie y paralelo entre los terminales. En la Figura 1 se muestra una vista esquemática en sección transversal de un varistor típico.
Los varistores tienen la propiedad de mantener un cambio de voltaje relativamente pequeño en sus terminales, mientras que la corriente de sobretensión que fluye a través de ellos varía durante varias décadas de magnitud. Esta acción no lineal les permite desviar la corriente de una sobretensión cuando se conectan en derivación a través de la línea y limitar el voltaje a través de la línea a valores que protegen el equipo conectado a esa línea.
Diodo de ruptura de avalancha (ADB)
Estos dispositivos también se conocen como diodo de avalancha de silicio (SAD) o supresor de voltaje transitorio (TVS). El diodo de ruptura de la unión PN, en su forma básica, es una unión PN única que consta de un ánodo (P) y un cátodo (N). Vea la Figura 2a. En las aplicaciones de circuitos de CC, el protector tiene polarización inversa de modo que se aplica un potencial positivo al lado del cátodo (N) del dispositivo. Vea la Figura 2b.
El diodo de avalancha tiene tres regiones operativas, 1) polarización directa (baja impedancia), 2) estado desactivado (alta impedancia) y 3) ruptura de polarización inversa (impedancia relativamente baja). Estas regiones se pueden ver en la Figura 3. En el modo de polarización directa con un voltaje positivo en la región P, el diodo tiene una impedancia muy baja una vez que el voltaje excede el voltaje del diodo de polarización directa, VFS. VFS suele ser inferior a 1 V y se define a continuación. El estado desactivado se extiende desde 0 V hasta justo por debajo de un VBR positivo en la región N. En esta región, las únicas corrientes que fluyen son las corrientes de fuga dependientes de la temperatura y las corrientes de túnel Zener para diodos de bajo voltaje de ruptura. La región de ruptura del sesgo inverso comienza con un VBR positivo en la región N. En VBR, los electrones que cruzan la unión se aceleran lo suficiente por el campo alto en la región de la unión que las colisiones de electrones dan como resultado una cascada, o avalancha, de electrones y la creación de huecos. El resultado es una fuerte caída en la resistencia del diodo. Tanto las regiones de ruptura de polarización directa como inversa pueden usarse para protección.
Las características eléctricas de un diodo de avalancha son intrínsecamente asimétricas. También se fabrican productos de protección de diodos de avalancha simétricos que consisten en uniones espalda con espalda.
Tubo de descarga de gas (GDT)
Los tubos de descarga de gas constan de dos o más electrodos metálicos separados por un pequeño espacio y sostenidos por un cilindro de cerámica o vidrio. El cilindro se llena con una mezcla de gas noble, que genera una descarga luminiscente y finalmente una condición de arco cuando se aplica suficiente voltaje a los electrodos.
Cuando un voltaje que aumenta lentamente a través del espacio alcanza un valor determinado principalmente por el espacio entre electrodos, la presión del gas y la mezcla de gas, el proceso de encendido se inicia con el voltaje de chispa (ruptura). Una vez que ocurre la chispa, son posibles varios estados operativos, dependiendo de los circuitos externos. Estos estados se muestran en la Figura 4. A corrientes menores que la corriente de transición de incandescencia a arco, existe una región incandescente. A bajas corrientes en la región luminosa, el voltaje es casi constante; a altas corrientes de incandescencia, algunos tipos de tubos de gas pueden entrar en una región de incandescencia anormal en la que aumenta el voltaje. Más allá de esta región de brillo anormal, la impedancia del tubo de descarga de gas disminuye en la región de transición a la condición de arco de bajo voltaje. La corriente de transición de arco a resplandor puede ser más baja que la transición de resplandor a arco. La característica eléctrica del GDT, junto con los circuitos externos, determina la capacidad del GDT para extinguirse después del paso de una sobretensión y también determina la energía disipada en el descargador durante la sobretensión.
Si el voltaje aplicado (p. Ej. Transitorio) aumenta rápidamente, el tiempo necesario para el proceso de ionización / formación de arco puede permitir que el voltaje transitorio exceda el valor requerido para la ruptura en el párrafo anterior. Este voltaje se define como el voltaje de ruptura de impulso y generalmente es una función positiva de la tasa de aumento del voltaje aplicado (transitorio).
Un GDT de tres electrodos de cámara única tiene dos cavidades separadas por un electrodo de anillo central. El orificio en el electrodo central permite que el plasma de gas de una cavidad conductora inicie la conducción en la otra cavidad, aunque el voltaje de la otra cavidad pueda estar por debajo del voltaje de chispa.
Debido a su acción de conmutación y construcción robusta, los GDT pueden superar a otros componentes SPD en capacidad de transporte de corriente. Muchos GDT de telecomunicaciones pueden transportar fácilmente sobrecorrientes de hasta 10 kA (forma de onda de 8/20 µs). Además, según el diseño y el tamaño del GDT, se pueden lograr corrientes de sobretensión de> 100 kA.
La construcción de los tubos de descarga de gas es tal que tienen una capacitancia muy baja, generalmente menos de 2 pF. Esto permite su uso en muchas aplicaciones de circuitos de alta frecuencia.
Cuando funcionan los GDT, pueden generar radiación de alta frecuencia, que puede influir en la electrónica sensible. Por lo tanto, es aconsejable colocar los circuitos GDT a cierta distancia de la electrónica. La distancia depende de la sensibilidad de la electrónica y de lo bien que esté blindada. Otro método para evitar el efecto es colocar el GDT en un recinto blindado.
Definiciones para GDT
Un espacio, o varios espacios con dos o tres electrodos metálicos sellados herméticamente para que la mezcla de gases y la presión estén bajo control, diseñados para proteger los aparatos o el personal, o ambos, de los altos voltajes transitorios.
Or
Un espacio o espacios en un medio de descarga cerrado, que no sea aire a presión atmosférica, diseñado para proteger aparatos o al personal, o ambos, de altos voltajes transitorios.
- Filtros LCR
Estos componentes varían en su:
- capacidad energética
- disponibilidad
- fiabilidad
- el costo
- eficacia
De IEEE Std C62.72: La capacidad de un SPD para limitar las sobretensiones en la red de distribución eléctrica al desviar las sobrecorrientes es una función de los componentes de protección contra sobretensiones, la estructura mecánica del SPD y la conexión a la red de distribución eléctrica. Algunos componentes comunes de protección contra sobretensiones que se utilizan en la fabricación de SPD son los MOV, SASD y los tubos de descarga de gas, siendo los MOV los que tienen el mayor uso. La clasificación de sobrecorriente de un MOV está relacionada con el área de la sección transversal y su composición. En general, cuanto mayor sea el área de la sección transversal, mayor será la clasificación de la corriente de sobretensión del dispositivo. Los MOV generalmente son de geometría redonda o rectangular, pero vienen en una plétora de dimensiones estándar que van desde 7 mm (0.28 pulgadas) a 80 mm (3.15 pulgadas). Los valores nominales de sobretensión de estos componentes de protección contra sobretensiones varían ampliamente y dependen del fabricante. Al conectar los MOV en una matriz en paralelo, se podría calcular una clasificación de corriente de sobretensión teórica simplemente sumando las clasificaciones de corriente de los MOV individuales para obtener la clasificación de corriente de sobretensión de la matriz.
Hay muchas hipótesis sobre qué componente, qué topología y el despliegue de tecnología específica produce el mejor SPD para desviar la sobrecorriente. En lugar de presentar todos estos argumentos y dejar que el lector descifre estos temas, es mejor que la discusión de la clasificación de la corriente de sobretensión, la clasificación de la corriente de descarga nominal o las capacidades de la corriente de sobretensión gire en torno a los datos de las pruebas de rendimiento. Independientemente de los componentes utilizados en el diseño, o de la estructura mecánica específica desplegada, lo que importa es que el SPD tenga una clasificación de sobrecorriente o una clasificación de corriente de descarga nominal que sea adecuada para la aplicación y, probablemente lo más importante, que el SPD limite el transitorio. sobretensiones a niveles que eviten daños en el equipo que se está protegiendo dado el entorno de sobretensión esperado.
Modos de funcionamiento básicos
La mayoría de los SPD tienen tres modos de funcionamiento básicos:
- Hasta el momento no
- Divertido
En cada modo, la corriente fluye a través del SPD. Lo que puede no entenderse, sin embargo, es que puede existir un tipo diferente de corriente en cada modo.
El modo de espera
En situaciones normales de energía cuando se suministra “energía limpia” dentro de un sistema de distribución eléctrica, el SPD realiza una función mínima. En el modo de espera, el SPD está esperando que ocurra una sobretensión y consume poca o ninguna energía de CA; principalmente el utilizado por los circuitos de monitorización.
El modo de desvío
Al detectar un evento de sobrevoltaje transitorio, el SPD cambia al modo de desvío. El propósito de un SPD es desviar la corriente de impulso dañina lejos de las cargas críticas, al mismo tiempo que reduce la magnitud de voltaje resultante a un nivel bajo e inofensivo.
Según lo define ANSI / IEEE C62.41.1-2002, un transitorio de corriente típico dura solo una fracción de ciclo (microsegundos), un fragmento de tiempo en comparación con el flujo continuo de una señal sinusoidal de 60 Hz.
La magnitud de la sobrecorriente depende de su fuente. Los rayos, por ejemplo, que en raras ocasiones pueden contener magnitudes de corriente superiores a varios cientos de miles de amperios. Sin embargo, dentro de una instalación, los eventos transitorios generados internamente producirán magnitudes de corriente más bajas (menos de unos pocos miles o cientos de amperios).
Dado que la mayoría de los SPD están diseñados para manejar grandes sobrecorrientes, un punto de referencia de rendimiento es la clasificación de corriente de descarga nominal (In) probada del producto. A menudo confundida con la corriente de falla, pero no relacionada, esta gran magnitud de corriente es una indicación de la capacidad de resistencia repetida probada del producto.
De IEEE Std. C62.72: La clasificación de corriente de descarga nominal ejerce la capacidad de un SPD de estar sujeto a sobrecargas de corriente repetitivas (15 sobretensiones en total) de un valor seleccionado sin daño, degradación o cambio en el rendimiento de voltaje límite medido de un SPD. La prueba de corriente de descarga nominal incluye el SPD completo, incluidos todos los componentes de protección contra sobretensiones y los seccionadores SPD internos o externos. Durante la prueba, no se permite que ningún componente o seccionador falle, abra el circuito, se dañe o se degrade. Para lograr una clasificación particular, el nivel de rendimiento de voltaje límite medido del DPS debe mantenerse entre la comparación previa y posterior a la prueba. El propósito de estas pruebas es demostrar la capacidad y el desempeño de un SPD en respuesta a sobretensiones que en algunos casos son severas pero que podrían esperarse en el equipo de servicio, dentro de una instalación o en el lugar de la instalación.
Por ejemplo, un SPD con una capacidad de corriente de descarga nominal de 10,000 o 20,000 amperios por modo significa que el producto debe poder soportar de manera segura una magnitud de corriente transitoria de 10,000 o 20,000 amperios un mínimo de 15 veces, en cada uno de los modos de protección.
Escenarios de fin de vida
De IEEE Std C62.72: Es posible que la mayor amenaza para la confiabilidad a largo plazo de los SPD no sean las sobretensiones, sino las repetidas sobretensiones momentáneas o temporales (TOV o “swells”) que pueden ocurrir en el PDS. Los SPD con un MCOV, que están precariamente cerca del voltaje nominal del sistema, son más susceptibles a tales sobretensiones que pueden conducir a un envejecimiento prematuro del SPD o al final prematuro de su vida útil. Una regla empírica que se utiliza con frecuencia es determinar si el MCOV del SPD es al menos el 115% del voltaje nominal del sistema para cada modo de protección específico. Esto permitirá que el SPD no se vea afectado por las variaciones normales de voltaje del PDS.
Sin embargo, aparte de los eventos de sobretensión sostenida, los SPD pueden envejecer, degradarse o alcanzar su condición de fin de servicio con el tiempo debido a sobretensiones que exceden las clasificaciones de los SPD para sobrecorriente, la tasa de ocurrencia de eventos de sobretensión, la duración de la sobretensión. , o la combinación de estos eventos. Los eventos repetitivos de sobretensión de amplitud significativa durante un período de tiempo pueden sobrecalentar los componentes del SPD y hacer que los componentes de protección contra sobretensiones envejezcan. Además, las sobretensiones repetitivas pueden hacer que los seccionadores SPD que se activan térmicamente funcionen prematuramente debido al calentamiento de los componentes de protección contra sobretensiones. Las características de un DPS pueden cambiar a medida que alcanza su condición de fin de servicio; por ejemplo, los voltajes límite medidos pueden aumentar o disminuir.
En un esfuerzo por evitar la degradación debido a sobretensiones, muchos fabricantes de SPD diseñan SPD con capacidades de alta sobrecorriente, ya sea utilizando componentes físicamente más grandes o conectando varios componentes en paralelo. Esto se hace para evitar la probabilidad de que se excedan las calificaciones del SPD como conjunto, excepto en casos muy raros y excepcionales. El éxito de este método está respaldado por la larga vida útil y el historial de los SPD existentes instalados que se han diseñado de esta manera.
Con respecto a la coordinación del SPD y, como se indicó con respecto a las clasificaciones de sobrecorriente, es lógico tener un SPD con clasificaciones de sobrecorriente más altas ubicado en el equipo de servicio donde el PDS está más expuesto a sobretensiones para ayudar en la prevención del envejecimiento prematuro; mientras tanto, los SPD más abajo del equipo de servicio que no están expuestos a fuentes externas de sobretensiones pueden tener clasificaciones menores. Con un buen diseño y coordinación del sistema de protección contra sobretensiones, se puede evitar el envejecimiento prematuro del SPD.
Otras causas de falla del SPD incluyen:
- Errores de instalación
- Aplicación incorrecta de un producto para su voltaje nominal
- Eventos de sobretensión sostenidos
Cuando falla un componente de supresión, la mayoría de las veces lo hace como un corto, lo que hace que la corriente comience a fluir a través del componente fallado. La cantidad de corriente disponible para fluir a través de este componente defectuoso es una función de la corriente de falla disponible y es impulsada por el sistema de energía. Para obtener más información sobre las corrientes de falla, vaya a Información relacionada con la seguridad del SPD.
