Protección contra sobretensiones y sobretensiones de corriente de rayo


Sobretensión de origen atmosférico
Definiciones de sobretensión

Sobrevoltaje (en un sistema) cualquier voltaje entre un conductor de fase y tierra o entre conductores de fase que tiene un valor pico que excede el pico correspondiente del voltaje más alto para la definición de equipo del Vocabulario Electrotécnico Internacional (IEV 604-03-09)

Varios tipos de sobretensión

Una sobretensión es un pulso u onda de voltaje que se superpone al voltaje nominal de la red (ver Fig. J1)

Fig. J1 - Ejemplos de sobretensión

Este tipo de sobretensión se caracteriza por (ver Fig. J2):

  • el tiempo de subida tf (en μs);
  • el gradiente S (en kV / μs).

Una sobretensión perturba el equipo y produce radiación electromagnética. Además, la duración de la sobretensión (T) provoca un pico de energía en los circuitos eléctricos que podría destruir los equipos.
Fig. J2 - Características principales de una sobretensión

Fig. J2 - Características principales de una sobretensión

Cuatro tipos de sobretensión pueden perturbar las instalaciones eléctricas y las cargas:

  • Sobretensiones de conmutación: sobretensiones de alta frecuencia o perturbaciones en ráfagas (ver Fig. J1) causadas por un cambio en el estado estacionario en una red eléctrica (durante el funcionamiento del tablero).
  • Sobretensiones de frecuencia industrial: sobretensiones de la misma frecuencia que la red (50, 60 o 400 Hz) provocadas por un cambio permanente de estado en la red (tras una avería: avería de aislamiento, avería del conductor neutro, etc.).
  • Sobretensiones provocadas por descarga electrostática: sobretensiones muy breves (unos nanosegundos) de muy alta frecuencia provocadas por la descarga de cargas eléctricas acumuladas (por ejemplo, una persona que camina sobre una alfombra con suelas aislantes se carga eléctricamente con una tensión de varios kilovoltios).
  • Sobretensiones de origen atmosférico.

Características de sobretensión de origen atmosférico

Rayos en pocas cifras: los relámpagos producen una cantidad extremadamente grande de energía eléctrica pulsada (ver Figura J4)

  • de varios miles de amperios (y varios miles de voltios)
  • de alta frecuencia (aproximadamente 1 megahercio)
  • de corta duración (de un microsegundo a un milisegundo)

Entre 2000 y 5000 tormentas se forman constantemente en todo el mundo. Estas tormentas van acompañadas de relámpagos que representan un grave peligro para las personas y los equipos. Los relámpagos caen al suelo a un promedio de 30 a 100 golpes por segundo, es decir, 3 mil millones de rayos cada año.

La tabla de la Figura J3 muestra algunos valores de caída de rayos con su probabilidad relacionada. Como puede verse, el 50% de los rayos tienen una corriente superior a 35 kA y el 5% una corriente superior a 100 kA. Por tanto, la energía transmitida por el rayo es muy elevada.

Fig. J3 - Ejemplos de valores de descargas de rayos dados por la norma IEC 62305-1 (2010 - Tabla A.3)

Probabilidad acumulada (%)Corriente pico (kA)
955
5035
5100
1200

Fig. J4 - Ejemplo de corriente de rayo

Los rayos también provocan una gran cantidad de incendios, principalmente en áreas agrícolas (destruyendo casas o haciéndolas inadecuadas para su uso). Los edificios de gran altura son especialmente propensos a los rayos.

Efectos en las instalaciones eléctricas

Los rayos dañan los sistemas eléctricos y electrónicos en particular: transformadores, medidores de electricidad y aparatos eléctricos tanto en instalaciones residenciales como industriales.

El costo de reparar los daños causados ​​por los rayos es muy alto. Pero es muy difícil evaluar las consecuencias de:

  • perturbaciones causadas a computadoras y redes de telecomunicaciones;
  • fallas generadas en la ejecución de programas y sistemas de control de controladores lógicos programables.

Además, el costo de las pérdidas operativas puede ser mucho mayor que el valor del equipo destruido.

Impactos de rayo

Los rayos son un fenómeno eléctrico de alta frecuencia que causa sobretensiones en todos los elementos conductores, especialmente en el cableado y los equipos eléctricos.

Los rayos pueden afectar los sistemas eléctricos (y / o electrónicos) de un edificio de dos maneras:

  • por el impacto directo del rayo en el edificio (ver Fig. J5 a);
  • por impacto indirecto del rayo en el edificio:
  • Un rayo puede caer sobre una línea de energía eléctrica aérea que alimenta un edificio (ver Fig. J5 b). La sobrecorriente y la sobretensión pueden extenderse varios kilómetros desde el punto de impacto.
  • Un rayo puede caer cerca de una línea de energía eléctrica (ver Fig. J5 c). Es la radiación electromagnética de la corriente del rayo la que produce una alta corriente y una sobretensión en la red de suministro eléctrico. En los dos últimos casos, las corrientes y tensiones peligrosas son transmitidas por la red de suministro de energía.

Un rayo puede caer cerca de un edificio (ver Fig. J5 d). El potencial de la tierra alrededor del punto de impacto aumenta peligrosamente.

Fig. J5 - Varios tipos de impacto de rayo

Fig. J5 - Varios tipos de impacto de rayo

En todos los casos, las consecuencias para las instalaciones eléctricas y las cargas pueden ser dramáticas.

Fig. J6 - Consecuencia del impacto de un rayo

Un rayo cae sobre un edificio desprotegido.Un rayo cae cerca de una línea aérea.Un rayo cae cerca de un edificio.
Un rayo cae sobre un edificio desprotegido.Un rayo cae cerca de una línea aérea.Un rayo cae cerca de un edificio.
La corriente del rayo fluye a tierra a través de las estructuras más o menos conductoras del edificio con efectos muy destructivos:

  • efectos térmicos: sobrecalentamiento muy violento de los materiales, provocando fuego
  • efectos mecánicos: deformación estructural
  • flashover térmico: fenómeno extremadamente peligroso en presencia de materiales inflamables o explosivos (hidrocarburos, polvo, etc.)
La corriente del rayo genera sobretensiones por inducción electromagnética en el sistema de distribución. Estas sobretensiones se propagan a lo largo de la línea hasta el equipo eléctrico dentro de los edificios.El rayo genera los mismos tipos de sobretensión que los opuestos descritos. Además, la corriente del rayo vuelve a subir desde la tierra hasta la instalación eléctrica, provocando averías en el equipo.
El edificio y las instalaciones dentro del edificio generalmente se destruyenLas instalaciones eléctricas dentro del edificio generalmente se destruyen.

Los diversos modos de propagación

Modo común

Aparecen sobretensiones de modo común entre conductores activos y tierra: fase a tierra o neutro a tierra (ver Fig. J7). Son peligrosos especialmente para aparatos cuyo marco está conectado a tierra debido a los riesgos de avería dieléctrica.

Fig. J7 - Modo común

Fig. J7 - Modo común

Modo diferencial

Aparecen sobretensiones en modo diferencial entre conductores activos:

fase a fase o fase a neutro (ver Fig. J8). Son especialmente peligrosos para equipos electrónicos, hardware sensible como sistemas informáticos, etc.

Fig. J8 - Modo diferencial

Fig. J8 - Modo diferencial

Caracterización de la onda del rayo

El análisis de los fenómenos permite definir los tipos de ondas de corriente y tensión del rayo.

  • Las normas IEC consideran 2 tipos de onda de corriente:
  • Onda de 10/350 µs: para caracterizar las ondas de corriente de un rayo directo (ver Fig. J9);

Fig. J9 - Onda de corriente de 10350 µs

Fig. J9 - Onda de corriente de 10/350 µs

  • Onda 8/20 µs: para caracterizar las ondas de corriente de un rayo indirecto (ver Fig. J10).

Fig. J10 - Onda de corriente de 820 µs

Fig. J10 - Onda de corriente de 8/20 µs

Estos dos tipos de ondas de corriente de rayo se utilizan para definir pruebas en SPD (norma IEC 61643-11) y la inmunidad del equipo a las corrientes de rayo.

El valor pico de la onda actual caracteriza la intensidad del rayo.

Las sobretensiones creadas por los rayos se caracterizan por una onda de tensión de 1.2 / 50 µs (ver Fig. J11).

Este tipo de onda de tensión se utiliza para verificar la resistencia de los equipos a sobretensiones de origen atmosférico (tensión de impulso según IEC 61000-4-5).

Fig. J11 - Onda de tensión de 1.250 µs

Fig. J11 - Onda de tensión de 1.2 / 50 µs

Principio de protección contra rayos
Reglas generales de protección contra rayos.

Procedimiento para prevenir riesgos de caída de rayo
El sistema de protección de un edificio contra los efectos de los rayos debe incluir:

  • protección de estructuras contra descargas directas de rayos;
  • protección de instalaciones eléctricas contra descargas directas e indirectas de rayos.

El principio básico para la protección de la instalación contra el riesgo de caída de rayos es evitar que la energía perturbadora llegue a equipos sensibles. Para lograrlo, es necesario:

  • capturar la corriente del rayo y canalizarla a tierra a través de la ruta más directa (evitando la proximidad de equipos sensibles);
  • realizar la compensación de potencial de la instalación; Esta conexión equipotencial se implementa conectando conductores, complementados con dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) o descargadores de chispas (por ejemplo, descarga de chispas del mástil de la antena).
  • minimice los efectos inducidos e indirectos instalando SPD y / o filtros. Se utilizan dos sistemas de protección para eliminar o limitar las sobretensiones: se conocen como sistema de protección de edificios (para el exterior de los edificios) y sistema de protección de instalaciones eléctricas (para el interior de los edificios).

Sistema de protección de edificios

La función del sistema de protección del edificio es protegerlo contra los rayos directos.
El sistema consta de:

  • el dispositivo de captura: el sistema de protección contra rayos;
  • conductores de bajada diseñados para transportar la corriente del rayo a tierra;
  • Cables de tierra de "pata de gallo" conectados entre sí;
  • enlaces entre todos los marcos metálicos (conexión equipotencial) y los cables de tierra.

Cuando la corriente del rayo fluye por un conductor, si aparecen diferencias de potencial entre este y los marcos conectados a tierra que se encuentran en las proximidades, estos últimos pueden provocar descargas disruptivas destructivas.

Los 3 tipos de sistema de protección contra rayos
Se utilizan tres tipos de protección de edificios:

El pararrayos (sencillo o con sistema de disparo)

El pararrayos es una punta de captura metálica colocada en la parte superior del edificio. Está conectado a tierra por uno o más conductores (a menudo tiras de cobre) (ver Fig. J12).

Fig. J12 - Pararrayos (varilla simple o con sistema de disparo)

Fig. J12 - Pararrayos (varilla simple o con sistema de disparo)

El pararrayos con cables tensos

Estos cables se estiran por encima de la estructura a proteger. Se utilizan para proteger estructuras especiales: áreas de lanzamiento de cohetes, aplicaciones militares y protección de líneas aéreas de alto voltaje (ver Fig. J13).

Fig. J13 - Cables tensos

Fig. J13 - Cables tensos

El pararrayos con jaula de malla (jaula de Faraday)

Esta protección implica la colocación de numerosos conductores de bajada / cintas simétricamente alrededor del edificio. (ver Fig. J14).

Este tipo de sistema de protección contra rayos se utiliza en edificios muy expuestos que albergan instalaciones muy sensibles como salas de ordenadores.

Fig. J14 - Jaula de malla (jaula de Faraday)

Fig. J14 - Jaula de malla (jaula de Faraday)

Consecuencias de la protección del edificio para el equipamiento de la instalación eléctrica

El 50% de la corriente del rayo descargada por el sistema de protección del edificio vuelve a las redes de puesta a tierra de la instalación eléctrica (ver Fig. J15): el aumento de potencial de los marcos supera con mucha frecuencia la capacidad de resistencia del aislamiento de los conductores en las distintas redes ( BT, telecomunicaciones, cable de video, etc.).

Además, el flujo de corriente a través de los conductores de bajada genera sobretensiones inducidas en la instalación eléctrica.

En consecuencia, el sistema de protección del edificio no protege la instalación eléctrica: es, por tanto, obligatorio prever un sistema de protección de la instalación eléctrica.

Fig. J15 - Contracorriente directa del rayo

Fig. J15 - Contracorriente directa del rayo

Protección contra rayos - Sistema de protección de instalaciones eléctricas

El principal objetivo del sistema de protección de instalaciones eléctricas es limitar las sobretensiones a valores aceptables para el equipo.

El sistema de protección de la instalación eléctrica consta de:

  • uno o más SPD según la configuración del edificio;
  • la conexión equipotencial: una malla metálica de partes conductoras expuestas.

Implementación

El procedimiento para proteger los sistemas eléctricos y electrónicos de un edificio es el siguiente.

Buscar información

  • Identifique todas las cargas sensibles y su ubicación en el edificio.
  • Identificar los sistemas eléctricos y electrónicos y sus respectivos puntos de entrada al edificio.
  • Compruebe si hay un sistema de protección contra rayos en el edificio o en las inmediaciones.
  • Familiarícese con la normativa aplicable a la ubicación del edificio.
  • Evalúe el riesgo de caída de rayos según la ubicación geográfica, el tipo de suministro de energía, la densidad de descargas de rayos, etc.

Implementación de la solución

  • Instale conductores de unión en marcos mediante una malla.
  • Instale un SPD en la centralita de entrada de BT.
  • Instale un SPD adicional en cada placa de subdistribución ubicada cerca de equipos sensibles (consulte la Fig. J16).

Fig. J16 - Ejemplo de protección de una instalación eléctrica a gran escala

Fig. J16 - Ejemplo de protección de una instalación eléctrica a gran escala

El dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD)

Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) se utilizan para redes de suministro de energía eléctrica, redes telefónicas y buses de comunicación y control automático.

El dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) es un componente del sistema de protección de la instalación eléctrica.

Este dispositivo se conecta en paralelo en el circuito de alimentación de las cargas que tiene que proteger (ver Fig. J17). También se puede utilizar en todos los niveles de la red de suministro eléctrico.

Este es el tipo de protección contra sobretensión más utilizado y más eficaz.

Fig. J17 - Principio del sistema de protección en paralelo

Fig. J17 - Principio del sistema de protección en paralelo

El SPD conectado en paralelo tiene una alta impedancia. Una vez que aparece la sobretensión transitoria en el sistema, la impedancia del dispositivo disminuye de modo que la sobrecorriente pasa a través del SPD, sin pasar por el equipo sensible.

Principio

El SPD está diseñado para limitar las sobretensiones transitorias de origen atmosférico y desviar las ondas de corriente a tierra, con el fin de limitar la amplitud de esta sobretensión a un valor no peligroso para la instalación eléctrica y la aparamenta eléctrica y de control.

SPD elimina las sobretensiones

  • en modo común, entre fase y neutro o tierra;
  • en modo diferencial, entre fase y neutro.

En caso de sobretensión que supere el umbral de funcionamiento, el SPD

  • conduce la energía a la tierra, en modo común;
  • distribuye la energía a los demás conductores activos, en modo diferencial.

Los tres tipos de SPD

Escriba 1 SPD
El DPS Tipo 1 está recomendado en el caso específico de naves industriales y del sector servicios, protegido por un sistema de protección contra rayos o una jaula de malla.
Protege las instalaciones eléctricas contra descargas directas de rayos. Puede descargar la contracorriente de los rayos que se propagan desde el conductor de tierra a los conductores de la red.
El SPD de tipo 1 se caracteriza por una onda de corriente de 10/350 µs.

Escriba 2 SPD
El SPD Tipo 2 es el principal sistema de protección para todas las instalaciones eléctricas de baja tensión. Instalado en cada cuadro eléctrico, evita la propagación de sobretensiones en las instalaciones eléctricas y protege las cargas.
El SPD de tipo 2 se caracteriza por una onda de corriente de 8/20 µs.

Escriba 3 SPD
Estos SPD tienen una baja capacidad de descarga. Por lo tanto, deben instalarse obligatoriamente como complemento del SPD Tipo 2 y en las proximidades de cargas sensibles.
El SPD de tipo 3 se caracteriza por una combinación de ondas de voltaje (1.2 / 50 μs) y ondas de corriente (8/20 μs).

Definición normativa SPD

Fig. J18 - Definición estándar de SPD

Golpe de rayo directoGolpe de rayo indirecto
IEC 61643-11: 2011Prueba de clase IPrueba de clase IIPrueba de clase III
EN 61643-11: 2012Tipo 1: T1Tipo 2: T2Tipo 3: T3
Antiguo VDE 0675vBCD
Tipo de onda de prueba10/3508/201.2 / 50 + 8 / 20

Nota 1: Existen SPD T1 + T2 (o SPD Tipo 1 + 2) que combinan la protección de cargas contra descargas directas e indirectas de rayos.

Nota 2: algunos T2 SPD también se pueden declarar como T3

Características de SPD

La norma internacional IEC 61643-11 Edición 1.0 (03/2011) define las características y pruebas para los SPD conectados a sistemas de distribución de baja tensión (ver Fig. J19).

Fig. J19 - Característica de corriente de tiempo de un SPD con varistor

En verde, el rango de funcionamiento garantizado del SPD.
Fig. J19 - Característica tiempo / corriente de un SPD con varistor

Características comunes

  • UC: Voltaje de funcionamiento continuo máximo. Este es el voltaje de CA o CC por encima del cual se activa el SPD. Este valor se elige de acuerdo con la tensión nominal y la disposición de puesta a tierra del sistema.
  • UP: Nivel de protección de voltaje (en In). Este es el voltaje máximo a través de los terminales del SPD cuando está activo. Este voltaje se alcanza cuando la corriente que fluye en el SPD es igual a In. El nivel de protección de voltaje elegido debe estar por debajo de la capacidad de resistencia a sobretensión de las cargas. En caso de que caiga un rayo, el voltaje en los terminales del SPD generalmente permanece por debajo de UP.
  • In: Corriente nominal de descarga. Este es el valor pico de una corriente de forma de onda de 8/20 µs que el SPD es capaz de descargar un mínimo de 19 veces.

¿Por qué es importante?
In corresponde a una corriente de descarga nominal que un SPD puede soportar al menos 19 veces: un valor más alto de In significa una vida más larga para el SPD, por lo que se recomienda encarecidamente elegir valores más altos que el valor mínimo impuesto de 5 kA.

Escriba 1 SPD

  • Idiablillo: Impulso de corriente. Este es el valor pico de una corriente de forma de onda de 10/350 µs que el SPD es capaz de descargar o descargar al menos una vez.

Por qué estoydiablillo ¿importante?
La norma IEC 62305 requiere un valor máximo de corriente de impulso de 25 kA por polo para el sistema trifásico. Esto significa que para una red 3P + N, el SPD debería poder soportar una corriente de impulso máxima total de 100kA proveniente de la conexión a tierra.

  • Ifi: Autoextinguir la corriente de seguimiento. Aplicable solo a la tecnología Spark gap. Esta es la corriente (50 Hz) que el SPD es capaz de interrumpir por sí mismo después de una descarga disruptiva. Esta corriente debe ser siempre mayor que la posible corriente de cortocircuito en el punto de instalación.

Escriba 2 SPD

  • Imax: Corriente máxima de descarga. Este es el valor pico de una corriente de forma de onda de 8/20 µs que el SPD es capaz de descargar una vez.

¿Por qué es importante Imax?
Si compara 2 SPD con el mismo In, pero con Imax diferente: el SPD con un valor Imax más alto tiene un “margen de seguridad” más alto y puede soportar una sobrecorriente más alta sin sufrir daños.

Escriba 3 SPD

  • UOC: Tensión de circuito abierto aplicada durante las pruebas de clase III (Tipo 3).

aplicaciones principales

  • SPD de baja tensión. Este término designa dispositivos muy diferentes, tanto desde el punto de vista tecnológico como de uso. Los SPD de bajo voltaje son modulares para ser instalados fácilmente dentro de cuadros de distribución de BT. También existen SPD adaptables a tomas de corriente, pero estos dispositivos tienen una baja capacidad de descarga.
  • SPD para redes de comunicación. Estos dispositivos protegen las redes telefónicas, redes conmutadas y redes de control automático (bus) contra sobretensiones provenientes del exterior (rayos) e internas a la red de alimentación (equipos contaminantes, funcionamiento de aparamenta, etc.). Dichos SPD también se instalan en conectores RJ11, RJ45,… o integrados en cargas.

Notas

  1. Secuencia de prueba según la norma IEC 61643-11 para SPD basado en MOV (varistor). Un total de 19 impulsos en In:
  • Un impulso positivo
  • Un impulso negativo
  • 15 impulsos sincronizados cada 30 ° en la tensión de 50 Hz
  • Un impulso positivo
  • Un impulso negativo
  1. para tipo 1 SPD, después de los 15 impulsos en In (ver nota anterior):
  • Un impulso a 0.1 x Idiablillo
  • Un impulso a 0.25 x Idiablillo
  • Un impulso a 0.5 x Idiablillo
  • Un impulso a 0.75 x Idiablillo
  • Un impulso en yodiablillo

Diseño del sistema de protección de la instalación eléctrica
Reglas de diseño del sistema de protección de instalaciones eléctricas.

Para proteger una instalación eléctrica en un edificio, se aplican reglas simples para la elección de

  • SPD (s);
  • su sistema de protección.

Para un sistema de distribución de energía, las principales características que se utilizan para definir el sistema de protección contra rayos y seleccionar un DPS para proteger una instalación eléctrica en un edificio son:

  • SPD
  • cantidad de SPD
  • tipo
  • nivel de exposición para definir la corriente máxima de descarga del SPD Imax.
  • El dispositivo de protección contra cortocircuitos
  • corriente de descarga máxima Imax;
  • Corriente de cortocircuito Isc en el punto de instalación.

El diagrama lógico de la Figura J20 a continuación ilustra esta regla de diseño.

Fig. J20 - Diagrama lógico para la selección de un sistema de protección

Fig. J20 - Diagrama lógico para la selección de un sistema de protección

Las demás características para la selección de un DPS están predefinidas para la instalación eléctrica.

  • número de polos en SPD;
  • nivel de protección de voltaje UP;
  • UC: Voltaje de funcionamiento continuo máximo.

En este apartado Diseño del sistema de protección de la instalación eléctrica se describen con mayor detalle los criterios de selección del sistema de protección de acuerdo con las características de la instalación, los equipos a proteger y el medio ambiente.

Elementos del sistema de protección

El SPD siempre debe instalarse en el origen de la instalación eléctrica.

Ubicación y tipo de SPD

El tipo de SPD a instalar en el origen de la instalación depende de si existe o no un sistema de protección contra rayos. Si el edificio está equipado con un sistema de protección contra rayos (según IEC 62305), se debe instalar un DPS Tipo 1.

Para los SPD instalados en el extremo de entrada de la instalación, las normas de instalación IEC 60364 establecen valores mínimos para las 2 características siguientes:

  • Corriente nominal de descarga In = 5 kA (8/20) µs;
  • Nivel de protección de voltaje UP(en yon) <2.5 kV.

El número de SPD adicionales que se instalarán está determinado por:

  • el tamaño del sitio y la dificultad de instalar conductores de conexión. En sitios grandes, es esencial instalar un SPD en el extremo de entrada de cada gabinete de subdistribución.
  • la distancia que separa las cargas sensibles a proteger del dispositivo de protección del extremo entrante. Cuando las cargas están ubicadas a más de 10 metros del dispositivo de protección del extremo de entrada, es necesario proporcionar una protección fina adicional lo más cerca posible de las cargas sensibles. El fenómeno de la reflexión de ondas aumenta desde los 10 metros ver Propagación de una onda de rayo
  • el riesgo de exposición. En el caso de un sitio muy expuesto, el SPD del extremo de entrada no puede garantizar tanto un alto flujo de corriente del rayo como un nivel de protección de voltaje suficientemente bajo. En particular, un SPD de tipo 1 generalmente va acompañado de un SPD de tipo 2.

La tabla de la Figura J21 a continuación muestra la cantidad y el tipo de SPD que se configurará sobre la base de los dos factores definidos anteriormente.

Fig. J21 - Los 4 casos de implementación de SPD

Fig. J21 - Los 4 casos de implementación de SPD

Niveles distribuidos de protección

Varios niveles de protección de SPD permiten que la energía se distribuya entre varios SPD, como se muestra en la Figura J22 en la que se proporcionan los tres tipos de SPD para:

  • Tipo 1: cuando el edificio está equipado con un sistema de protección contra rayos y está situado en el extremo de entrada de la instalación, absorbe una gran cantidad de energía;
  • Tipo 2: absorbe sobretensiones residuales;
  • Tipo 3: proporciona protección “fina” si es necesario para los equipos más sensibles ubicados muy cerca de las cargas.

Fig. J22 - Arquitectura de protección fina

Nota: Los SPD de tipo 1 y 2 se pueden combinar en un solo SPD
Fig. J22 - Arquitectura de protección fina

Características comunes de los DPS según las características de la instalación
Voltaje de funcionamiento continuo máximo Uc

Dependiendo de la disposición de puesta a tierra del sistema, la tensión de funcionamiento continua máxima UC de SPD debe ser igual o mayor que los valores que se muestran en la tabla de la Figura J23.

Fig. J23 - Valor mínimo estipulado de UC para SPD según la disposición de la conexión a tierra del sistema (según la Tabla 534.2 de la norma IEC 60364-5-53)

SPD conectados entre (según corresponda)Configuración del sistema de la red de distribución
Sistema TNSistema TTSistema informático
Conductor de línea y conductor neutro1.1 U / √31.1 U / √31.1 U / √3
Conductor de línea y conductor PE1.1 U / √31.1 U / √31.1 U
Conductor de línea y conductor PEN1.1 U / √3N/AN/A
Conductor neutro y conductor PEU / √3 [a]U / √3 [a]1.1 U / √3

N / A: no aplica
U: voltaje línea a línea del sistema de bajo voltaje
a. Estos valores están relacionados con las peores condiciones de falla, por lo que no se tiene en cuenta la tolerancia del 10%.

Los valores más comunes de UC elegidos según la disposición de puesta a tierra del sistema.
TT, TN: 260, 320, 340, 350 V
TI: 440, 460 V

Nivel de protección de voltaje UP (en yon)

La norma IEC 60364-4-44 ayuda con la elección del nivel de protección Up para el SPD en función de las cargas a proteger. La tabla de la Figura J24 indica la capacidad de soportar impulsos de cada tipo de equipo.

Fig. J24 - Tensión de impulso nominal requerida del equipo Uw (tabla 443.2 de IEC 60364-4-44)

Tensión nominal de la instalación

[a] (V)
Línea de voltaje a neutro derivado de voltajes nominales CA o CC hasta (V) inclusiveTensión nominal de resistencia al impulso requerida del equipo [b] (kV)
Categoría de sobretensión IV (equipo con una tensión de impulso nominal muy alta)Categoría de sobretensión III (equipo con alta tensión de impulso nominal)Categoría de sobretensión II (equipo con tensión de impulso nominal normal)Categoría de sobretensión I (equipo con tensión de impulso nominal reducida)
Por ejemplo, contador de energía, sistemas de telecontrolPor ejemplo, cuadros de distribución, tomas de corriente de interruptoresPor ejemplo, distribución de electrodomésticos, herramientasPor ejemplo, equipos electrónicos sensibles
120/20815042.51.50.8
230/400 [c] [d]300642.51.5
277/480 [c]
400/6906008642.5
1000100012864
1500 cc1500 cc86

a. Según IEC 60038: 2009.
segundo. Esta tensión de impulso nominal se aplica entre conductores activos y PE.
C. En Canadá y EE. UU., Para tensiones a tierra superiores a 300 V, se aplica la tensión de impulso nominal correspondiente a la siguiente tensión más alta de esta columna.
re. Para operaciones de sistemas IT a 220-240 V, se utilizará la fila 230/400, debido a la tensión a tierra en la falla a tierra en una línea.

Fig. J25 - Categoría de sobretensión del equipo

DB422483Los equipos de la categoría de sobretensión I solo son adecuados para su uso en la instalación fija de edificios donde se aplican medios de protección fuera del equipo, para limitar las sobretensiones transitorias al nivel especificado.

Ejemplos de tales equipos son los que contienen circuitos electrónicos como computadoras, aparatos con programas electrónicos, etc.

DB422484Los equipos de categoría de sobretensión II son adecuados para la conexión a la instalación eléctrica fija, proporcionando un grado normal de disponibilidad que normalmente se requiere para los equipos que utilizan corriente.

Ejemplos de tales equipos son los electrodomésticos y cargas similares.

DB422485Los equipos de la categoría de sobretensión III se utilizan en la instalación fija aguas abajo del cuadro de distribución principal e incluido, lo que proporciona un alto grado de disponibilidad.

Ejemplos de tales equipos son cuadros de distribución, disyuntores, sistemas de cableado que incluyen cables, barras colectoras, cajas de conexiones, interruptores, tomas de corriente) en la instalación fija, y equipos para uso industrial y algunos otros equipos, por ejemplo, motores estacionarios con un Conexión permanente a la instalación fija.

DB422486Los equipos de categoría de sobretensión IV son adecuados para su uso en el origen de la instalación o en sus proximidades, por ejemplo, aguas arriba del cuadro de distribución principal.

Ejemplos de tales equipos son los medidores de electricidad, los dispositivos primarios de protección contra sobrecorriente y las unidades de control de ondulación.

La U "instalada"P el rendimiento debe compararse con la capacidad de soportar impulsos de las cargas.

SPD tiene un nivel de protección de voltaje UP que sea intrínseco, es decir, definido y probado independientemente de su instalación. En la práctica, para la elección de UP funcionamiento de un SPD, se debe tomar un margen de seguridad para permitir las sobretensiones inherentes a la instalación del SPD (consulte la Figura J26 y Conexión del dispositivo de protección contra sobretensiones).

Fig. J26 - Instalado

Fig. J26 - U instaladoP

El nivel de protección de voltaje "instalado" UP generalmente adoptado para proteger equipos sensibles en instalaciones eléctricas de 230/400 V es de 2.5 kV (categoría de sobretensión II, ver Fig. J27).

Nota:
Si el nivel de protección de voltaje estipulado no puede ser alcanzado por el SPD del extremo de entrada o si los elementos del equipo sensibles están remotos (consulte Elementos del sistema de protección # Ubicación y tipo de SPD Ubicación y tipo de SPD, se debe instalar un SPD coordinado adicional para lograr el nivel de protección requerido.

Número de polos

  • Dependiendo de la disposición de la conexión a tierra del sistema, es necesario prever una arquitectura SPD que garantice la protección en modo común (CM) y modo diferencial (DM).

Fig. J27 - Necesidades de protección según la disposición de puesta a tierra del sistema

TTTN-CTN-SIT
Fase a neutro (DM)Recomendado [a],RecomendadoInútil
Fase a tierra (PE o PEN) (CM)
Neutro a tierra (PE) (CM),Si b]

a. La protección entre fase y neutro puede incorporarse en el SPD situado en el origen de la instalación o ser remota cerca del equipo a proteger.
segundo. Si es neutral distribuido

Nota:

Sobretensión de modo común
Una forma básica de protección es instalar un SPD en modo común entre fases y el conductor PE (o PEN), sea cual sea el tipo de disposición de puesta a tierra del sistema utilizado.

Sobretensión en modo diferencial
En los sistemas TT y TN-S, la puesta a tierra del neutro da como resultado una asimetría por impedancias de tierra que da lugar a la aparición de tensiones en modo diferencial, aunque la sobretensión inducida por un rayo sea de modo común.

SPD 2P, 3P y 4P
(vea la Fig. J28)
Estos se adaptan a los sistemas IT, TN-C, TN-CS.
Proporcionan protección simplemente contra sobretensiones de modo común

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

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

SPD 1P + N, 3P + N
(vea la Fig. J29)
Estos están adaptados a los sistemas TT y TN-S.
Proporcionan protección contra sobretensiones de modo común y modo diferencial.

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

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

Selección de un SPD de tipo 1
Impulso de corriente Iimp

  • Cuando no existan normativas nacionales o normativas específicas para el tipo de edificio a proteger: la corriente de impulso Iimp debe ser de al menos 12.5 kA (onda 10/350 µs) por ramal de acuerdo con IEC 60364-5-534.
  • Donde existan regulaciones: la norma IEC 62305-2 define 4 niveles: I, II, III y IV

La tabla de la Figura J31 muestra los diferentes niveles de Idiablillo en el caso reglamentario.

Fig. J30 - Ejemplo básico de distribución de corriente Iimp equilibrada en un sistema trifásico

Fig. J30 - Ejemplo básico de I equilibradodiablillo distribución de corriente en sistema trifásico

Fig. J31 - Tabla de Idiablillo valores según el nivel de protección de tensión del edificio (según IEC / EN 62305-2)

Nivel de protección según EN 62305-2Sistema de protección contra rayos externo diseñado para manejar el flash directo de:Mínimo requerido Idiablillo para SPD tipo 1 para red de línea neutra
I200 kA25 kA / polo
II150 kA18.75 kA / polo
III/IV100 kA12.5 kA / polo

Autoextinguir siga la corriente Ifi

Esta característica es aplicable solo para SPD con tecnología de descarga de chispas. La autoextinción sigue la corriente Ifi debe ser siempre mayor que la posible corriente de cortocircuito Isc en el punto de instalación.

Selección de un SPD de tipo 2
Corriente de descarga máxima Imax

La corriente de descarga máxima Imax se define de acuerdo con el nivel de exposición estimado en relación con la ubicación del edificio.
El valor de la corriente de descarga máxima (Imax) se determina mediante un análisis de riesgo (consulte la tabla de la Figura J32).

Fig. J32 - Corriente de descarga máxima recomendada Imax según el nivel de exposición

Nivel de exposición
BajaMediaAlta
Entorno de construcciónEdificio ubicado en zona urbana o suburbana de viviendas agrupadasEdificio ubicado en una llanuraEdificación donde existe un riesgo específico: pilón, árbol, región montañosa, zona húmeda o estanque, etc.
Valor Imáx recomendado (kA)204065

Selección de dispositivo externo de protección contra cortocircuitos (SCPD)

Los dispositivos de protección (térmicos y de cortocircuito) deben estar coordinados con el SPD para garantizar un funcionamiento confiable, es decir
asegurar la continuidad del servicio:

  • soportar las ondas de la corriente del rayo
  • no generar tensión residual excesiva.

garantizar una protección eficaz contra todo tipo de sobrecorriente:

  • sobrecarga después de la fuga térmica del varistor;
  • cortocircuito de baja intensidad (impedante);
  • cortocircuito de alta intensidad.

Riesgos que deben evitarse al final de la vida útil de los DPS
Debido al envejecimiento

En el caso del final natural de la vida por envejecimiento, la protección es de tipo térmico. El SPD con varistores debe tener un seccionador interno que deshabilite el SPD.
Nota: El final de la vida útil debido a la fuga térmica no afecta al SPD con tubo de descarga de gas o vía de chispa encapsulada.

Debido a una falla

Las causas del fin de la vida útil debido a un cortocircuito son:

  • Se superó la capacidad máxima de descarga. Esta falla da como resultado un fuerte cortocircuito.
  • Una avería debida al sistema de distribución (conmutación neutro / fase, desconexión neutro).
  • Deterioro gradual del varistor.
    Los dos últimos fallos provocan un cortocircuito imperante.
    La instalación debe estar protegida contra daños resultantes de este tipo de fallas: el seccionador interno (térmico) definido anteriormente no tiene tiempo para calentarse, por lo tanto para operar.
    Se debe instalar un dispositivo especial llamado “Dispositivo de protección contra cortocircuitos externo (SCPD externo)”, capaz de eliminar el cortocircuito. Puede implementarse mediante un disyuntor o un dispositivo fusible.

Características del SCPD externo

El SCPD externo debe coordinarse con el SPD. Está diseñado para cumplir las dos restricciones siguientes:

Resistencia a la corriente del rayo

La resistencia a la corriente del rayo es una característica esencial del dispositivo externo de protección contra cortocircuitos del SPD.
El SCPD externo no debe dispararse con 15 corrientes de impulso sucesivas en In.

Resistencia a la corriente de cortocircuito

  • El poder de corte está determinado por las reglas de instalación (norma IEC 60364):
    El SCPD externo debe tener una capacidad de corte igual o mayor que la posible corriente de cortocircuito Isc en el punto de instalación (de acuerdo con la norma IEC 60364).
  • Protección de la instalación contra cortocircuitos
    En particular, el cortocircuito imperante disipa mucha energía y debe eliminarse muy rápidamente para evitar daños a la instalación y al SPD.
    La asociación correcta entre un SPD y su SCPD externo debe ser proporcionada por el fabricante.

Modo de instalación para el SCPD externo
Dispositivo "en serie"

El SCPD se describe como “en serie” (ver Fig. J33) cuando la protección la realiza el dispositivo de protección general de la red a proteger (por ejemplo, interruptor de circuito de conexión aguas arriba de una instalación).

Fig. J33 - SCPD en serie

Fig. J33 - SCPD "en serie"

Dispositivo "en paralelo"

El SCPD se describe como “en paralelo” (ver Fig. J34) cuando la protección es realizada específicamente por un dispositivo de protección asociado con el SPD.

  • El SCPD externo se denomina “disyuntor de desconexión” si la función la realiza un disyuntor.
  • El disyuntor de desconexión puede estar integrado o no en el SPD.

Fig. J34 - SCPD "en paralelo"

Fig. J34 - SCPD en paralelo

Nota:
En el caso de un SPD con un tubo de descarga de gas o una vía de chispa encapsulada, el SCPD permite cortar la corriente inmediatamente después de su uso.

Garantía de protección

El SCPD externo debe estar coordinado con el SPD y probado y garantizado por el fabricante del SPD de acuerdo con las recomendaciones de la norma IEC 61643-11. También debe instalarse de acuerdo con las recomendaciones del fabricante. Como ejemplo, consulte las tablas de coordinación SCPD + SPD eléctrico.

Cuando este dispositivo está integrado, la conformidad con la norma de producto IEC 61643-11 garantiza naturalmente la protección.

Fig. J35 - SPD con SCPD externo, no integrado (iC60N + iPRD 40r) e integrado (iQuick PRD 40r)

Fig. J35 - SPD con SCPD externo, no integrado (iC60N + iPRD 40r) e integrado (iQuick PRD 40r)

Resumen de las características de las SCPD externas

En la sección Características detalladas del SCPD externo se ofrece un análisis detallado de las características.
La tabla de la Figura J36 muestra, a modo de ejemplo, un resumen de las características según los distintos tipos de SCPD externos.

Fig. J36 - Características de la protección al final de la vida útil de un SPD de tipo 2 según los SCPD externos

Modo de instalación para el SCPD externoEn seriesEn paralelo
Fusible asociado a protecciónAsociado a la protección de disyuntoresProtección de disyuntor integrada
Fig. J34 - SCPD en paraleloProtección de fusibles asociadaFig. J34 - SCPD en paraleloFig. J34 - SCPD en paralelo1
Protección contra sobretensiones de equipos====
Los SPD protegen satisfactoriamente el equipo sea cual sea el tipo de SCPD externo asociado
Protección de la instalación al final de su vida útil,=++ +
Sin garantía de protección posibleGarantía del fabricanteGarantía total
La protección contra cortocircuitos de impedancia no está bien garantizadaProtección contra cortocircuitos perfectamente garantizada
Continuidad del servicio al final de la vida- -+++
La instalación completa está cerradaSolo se apaga el circuito SPD
Mantenimiento al final de la vida- -=++
El cierre de la instalación requeridoCambio de fusiblesReinicio inmediato

Mesa de coordinación de SPD y dispositivos de protección

La tabla de la Figura J37 a continuación muestra la coordinación de los disyuntores seccionadores (SCPD externo) para los SPD Tipo 1 y 2 de la marca XXX Electric para todos los niveles de corrientes de cortocircuito.

La coordinación entre el SPD y sus interruptores seccionadores, indicados y garantizados por Electric, asegura una protección confiable (resistencia a las ondas de rayo, protección reforzada de las corrientes de cortocircuito de impedancia, etc.)

Fig. J37 - Ejemplo de tabla de coordinación entre SPD y sus interruptores seccionadores

Fig. J37 - Ejemplo de una tabla de coordinación entre los SPD y sus interruptores seccionadores. Consulte siempre las tablas más recientes proporcionadas por los fabricantes.

Coordinación con dispositivos de protección aguas arriba

Coordinación con dispositivos de protección contra sobrecorriente
En una instalación eléctrica, el SCPD externo es un aparato idéntico al aparato de protección: esto permite aplicar técnicas de selectividad y cascada para la optimización técnica y económica del plan de protección.

Coordinación con dispositivos de corriente residual
Si el DPS se instala aguas abajo de un dispositivo de protección diferencial, este último debe ser del tipo “si” o selectivo con una inmunidad a las corrientes de pulso de al menos 3 kA (onda de corriente de 8/20 μs).

Instalación de dispositivo de protección contra sobretensiones
Conexión del dispositivo de protección contra sobretensiones

Las conexiones de un SPD a las cargas deben ser lo más cortas posible para reducir el valor del nivel de protección de voltaje (instalado Up) en los terminales del equipo protegido.

La longitud total de las conexiones SPD a la red y al bloque de terminales de tierra no debe exceder los 50 cm.

Una de las características esenciales para la protección de equipos es el nivel máximo de protección de voltaje (instalado Up) que el equipo puede soportar en sus terminales. En consecuencia, se debe elegir un DPS con un nivel de protección de voltaje Up adaptado a la protección del equipo (ver Fig. J38). La longitud total de los conductores de conexión es

L = L1 + L2 + L3.

Para corrientes de alta frecuencia, la impedancia por unidad de longitud de esta conexión es de aproximadamente 1 µH / m.

Por lo tanto, aplicando la ley de Lenz a esta conexión: ΔU = L di / dt

La onda de corriente normalizada de 8/20 µs, con una amplitud de corriente de 8 kA, crea en consecuencia un aumento de tensión de 1000 V por metro de cable.

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

Fig. J38 - Conexiones de un SPD L 50 cm

Fig. J38 - Conexiones de un SPD L <50 cm

Como resultado, el voltaje en los terminales del equipo, equipo U, es:
Equipo U = Up + U1 + U2
Si L1 + L2 + L3 = 50 cm y la onda es de 8/20 µs con una amplitud de 8 kA, el voltaje en los terminales del equipo será Up + 500 V.

Conexión en caja de plástico

La Figura J39 a continuación muestra cómo conectar un SPD en una caja de plástico.

Fig. J39 - Ejemplo de conexión en caja de plástico

Fig. J39 - Ejemplo de conexión en caja de plástico

Conexión en caja metálica

En el caso de un conjunto de aparamenta en un gabinete metálico, puede ser conveniente conectar el SPD directamente al gabinete metálico, utilizando el gabinete como conductor de protección (ver Fig. J40).
Esta disposición cumple con la norma IEC 61439-2 y el fabricante del conjunto debe asegurarse de que las características del envolvente hacen posible este uso.

Fig. J40 - Ejemplo de conexión en envolvente metálica

Fig. J40 - Ejemplo de conexión en envolvente metálica

Sección del conductor

La sección transversal mínima recomendada del conductor tiene en cuenta:

  • El servicio normal a prestar: Flujo de la onda de la corriente del rayo bajo una caída de tensión máxima (regla de 50 cm).
    Nota: A diferencia de las aplicaciones a 50 Hz, el fenómeno del rayo es de alta frecuencia, el aumento en la sección transversal del conductor no reduce en gran medida su impedancia de alta frecuencia.
  • Resistencia de los conductores a corrientes de cortocircuito: El conductor debe resistir una corriente de cortocircuito durante el tiempo máximo de corte del sistema de protección.
    IEC 60364 recomienda en el extremo de entrada de la instalación una sección transversal mínima de:
  • 4 mm2 (Cu) para conexión de SPD Tipo 2;
  • 16 mm2 (Cu) para conexión de SPD Tipo 1 (presencia de sistema de protección contra rayos).

Ejemplos de buenas y malas instalaciones de SPD

Fig. J41 - Ejemplos de instalaciones de SPD buenas y malas

Fig. J41 - Ejemplos de instalaciones de SPD buenas y malas

El diseño de la instalación del equipo debe realizarse de acuerdo con las reglas de instalación: la longitud de los cables debe ser inferior a 50 cm.

Reglas de cableado del dispositivo de protección contra sobretensiones
Regla 1

La primera regla a cumplir es que la longitud de las conexiones SPD entre la red (a través del SCPD externo) y el bloque de terminales de tierra no debe exceder los 50 cm.
La Figura J42 muestra las dos posibilidades para la conexión de un SPD.
Fig. J42 - SPD con SCPD externo separado o integrado

Fig. J42 - SPD con SCPD1 externo independiente o integrado

Regla 2

Los conductores de alimentadores salientes protegidos:

  • debe estar conectado a los terminales del SCPD externo o del SPD;
  • deben estar físicamente separados de los conductores entrantes contaminados.

Están ubicados a la derecha de los terminales del SPD y el SCPD (consulte la Figura J43).

Fig. J43 - Las conexiones de los alimentadores salientes protegidos están a la derecha de los terminales SPD

Fig. J43 - Las conexiones de los alimentadores salientes protegidos están a la derecha de los terminales SPD

Regla 3

Los conductores de fase de alimentación, neutro y de protección (PE) de entrada deben correr uno al lado del otro para reducir la superficie del bucle (ver Fig. J44).

Regla 4

Los conductores de entrada del SPD deben estar alejados de los conductores de salida protegidos para evitar contaminarlos por acoplamiento (ver Fig. J44).

Regla 5

Los cables deben sujetarse con clavijas contra las partes metálicas del gabinete (si las hubiera) para minimizar la superficie del bucle del marco y, por lo tanto, beneficiarse de un efecto de blindaje contra las perturbaciones EM.

En todos los casos, se debe comprobar que los marcos de cuadros y envolventes estén puestos a tierra mediante conexiones muy cortas.

Por último, si se utilizan cables apantallados, deben evitarse grandes longitudes, ya que reducen la eficiencia del apantallamiento (ver Fig. J44).

Fig. J44 - Ejemplo de mejora de EMC mediante una reducción en las superficies del bucle y la impedancia común en un armario eléctrico

Fig. J44 - Ejemplo de mejora de EMC mediante una reducción en las superficies del bucle y la impedancia común en un armario eléctrico

Protección contra sobretensiones Ejemplos de aplicación

Ejemplo de aplicación de SPD en Supermercado

Fig. J45 - Ejemplo de aplicación supermercado

Fig. J46 - Red de telecomunicaciones

Soluciones y diagrama esquemático

  • La guía de selección del descargador de sobretensión ha permitido determinar el valor preciso del descargador de sobretensión en el extremo de entrada de la instalación y el del interruptor de circuito de desconexión asociado.
  • Como los dispositivos sensibles (Udiablillo <1.5 kV) se encuentran a más de 10 m del dispositivo de protección entrante, los descargadores de sobretensión de protección fina deben instalarse lo más cerca posible de las cargas.
  • Para garantizar una mejor continuidad del servicio en las áreas de cámaras frigoríficas: se utilizarán interruptores automáticos de corriente residual tipo “si” para evitar disparos molestos causados ​​por el aumento del potencial de tierra a medida que pasa la onda del rayo.
  • Para protección contra sobretensiones atmosféricas: 1, instale un descargador de sobretensiones en el cuadro de distribución principal. 2, instale un protector contra sobretensiones de protección fina en cada cuadro de distribución (1 y 2) que alimente los dispositivos sensibles situados a más de 10 m del protector contra sobretensiones entrante. 3, instale un descargador de sobretensiones en la red de telecomunicaciones para proteger los dispositivos suministrados, por ejemplo, alarmas de incendio, módems, teléfonos, faxes.

Recomendaciones de cableado

  • Asegurar la equipotencialidad de las puestas a tierra del edificio.
  • Reduzca las áreas del cable de alimentación en bucle.

Recomendaciones de instalación

  • Instale un pararrayos, yomax = 40 kA (8/20 µs) y un disyuntor seccionador iC60 de 40 A.
  • Instalar pararrayos de protección fina, Imax = 8 kA (8/20 µs) y los disyuntores seccionadores iC60 asociados con capacidad nominal de 10 A

Fig. J46 - Red de telecomunicaciones

Fig. J46 - Red de telecomunicaciones

SPD para aplicaciones fotovoltaicas

La sobretensión puede ocurrir en instalaciones eléctricas por varias razones. Puede ser causado por:

  • La red de distribución como consecuencia de un rayo o cualquier obra realizada.
  • Caídas de rayos (cerca o en edificios e instalaciones fotovoltaicas, o en pararrayos).
  • Variaciones en el campo eléctrico debido a rayos.

Como todas las estructuras al aire libre, las instalaciones fotovoltaicas están expuestas al riesgo de rayos que varía de una región a otra. Deben existir sistemas y dispositivos preventivos y de detención.

Protección por conexión equipotencial

La primera protección que se debe implementar es un medio (conductor) que asegura la conexión equipotencial entre todas las partes conductoras de una instalación fotovoltaica.

El objetivo es unir todos los conductores conectados a tierra y las partes metálicas y así crear el mismo potencial en todos los puntos del sistema instalado.

Protección mediante dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD)

Los SPD son particularmente importantes para proteger equipos eléctricos sensibles como inversores de CA / CC, dispositivos de monitoreo y módulos fotovoltaicos, pero también otros equipos sensibles alimentados por la red de distribución eléctrica de 230 VCA. El siguiente método de evaluación de riesgos se basa en la evaluación de la longitud crítica Lcrit y su comparación con L la longitud acumulada de las líneas de CC.
Se requiere protección SPD si L ≥ Lcrit.
Lcrit depende del tipo de instalación fotovoltaica y se calcula como establece la siguiente tabla (Fig. J47):

Fig. J47 - Elección de SPD DC

Tipo de instalaciónLocales residenciales individualesPlanta de producción terrestreServicio / Industrial / Agrícola / Edificios
Lcrit (En m)115 / Ng200 / Ng450 / Ng
L ≥ LcritDispositivo (s) de protección contra sobretensiones obligatorio en el lado de CC
L <LcritDispositivo (s) de protección contra sobretensiones no obligatorio en el lado de CC

L es la suma de:

  • la suma de las distancias entre el (los) inversor (es) y la (s) caja (s) de conexión, teniendo en cuenta que las longitudes del cable ubicado en el mismo conducto se cuentan solo una vez, y
  • la suma de las distancias entre la caja de conexiones y los puntos de conexión de los módulos fotovoltaicos que forman el string, teniendo en cuenta que las longitudes del cable ubicado en el mismo conducto se cuentan una sola vez.

Ng es la densidad del arco eléctrico (número de impactos / km2 / año).

Fig. J48 - Selección de SPD

Fig. J48 - Selección de SPD
Protección SPD
UbicaciónMódulos fotovoltaicos o cajas de matricesLado de CC del inversorLado de CA del inversorplaca principal
LDCLACPararrayos
Criterios<10 m> 10 m<10 m> 10 mNo
Tipo de SPDNO HAY NECESIDAD

"SPD 1"

Tipo 2 [a]

"SPD 2"

Tipo 2 [a]

NO HAY NECESIDAD

"SPD 3"

Tipo 2 [a]

"SPD 4"

Tipo 1 [a]

"SPD 4"

Tipo 2 si Ng> 2.5 y línea aérea

[una]. 1 2 3 4 No se respeta la distancia de separación de tipo 1 según EN 62305.

Instalación de un SPD

El número y la ubicación de los SPD en el lado de CC dependen de la longitud de los cables entre los paneles solares y el inversor. El SPD debe instalarse cerca del inversor si la longitud es inferior a 10 metros. Si es mayor a 10 metros, es necesario un segundo DPS y debe ubicarse en la caja cercana al panel solar, el primero se ubica en la zona del inversor.

Para ser eficientes, los cables de conexión del SPD a la red L + / L- y entre el bloque de terminales de tierra del SPD y la barra colectora de tierra deben ser lo más cortos posible: menos de 2.5 metros (d1 + d2 <50 cm).

Generación de energía fotovoltaica segura y confiable

Dependiendo de la distancia entre la parte “generador” y la parte “conversión”, puede ser necesario instalar dos descargadores de sobretensión o más, para asegurar la protección de cada una de las dos partes.

Fig. J49 - Ubicación del SPD

Fig. J49 - Ubicación del SPD

Suplementos técnicos de protección contra sobretensiones

Estándares de protección contra rayos

La norma IEC 62305 partes 1 a 4 (NF EN 62305 partes 1 a 4) reorganiza y actualiza las publicaciones estándar IEC 61024 (serie), IEC 61312 (serie) e IEC 61663 (serie) sobre sistemas de protección contra rayos.

Parte 1 - Principios generales

Esta parte presenta información general sobre rayos y sus características y datos generales e introduce los otros documentos.

Parte 2 - Gestión de riesgos

En esta parte se presenta el análisis que permite calcular el riesgo de una estructura y determinar los distintos escenarios de protección para permitir la optimización técnica y económica.

Parte 3 - Daños físicos a las estructuras y peligro para la vida

Esta parte describe la protección contra descargas directas de rayos, incluido el sistema de protección contra rayos, el conductor de bajada, el conductor de tierra, la equipotencialidad y, por lo tanto, el SPD con conexión equipotencial (SPD de tipo 1).

Parte 4 - Sistemas eléctricos y electrónicos dentro de estructuras

Esta parte describe la protección contra los efectos inducidos del rayo, incluido el sistema de protección por SPD (Tipos 2 y 3), blindaje de cables, reglas para la instalación de SPD, etc.

Esta serie de normas se complementa con:

  • la serie de normas IEC 61643 para la definición de productos de protección contra sobretensiones (consulte Los componentes de un SPD);
  • la serie de normas IEC 60364-4 y -5 para la aplicación de los productos en instalaciones eléctricas de BT (consulte Indicación de fin de vida útil de un DPS).

Los componentes de un SPD

El SPD consiste principalmente en (ver Fig. J50):

  1. uno o más componentes no lineales: la parte viva (varistor, tubo de descarga de gas [GDT], etc.);
  2. un dispositivo de protección térmica (seccionador interno) que lo protege de la fuga térmica al final de su vida útil (SPD con varistor);
  3. un indicador que indica el final de la vida útil del SPD; Algunos SPD permiten la notificación remota de esta indicación;
  4. un SCPD externo que proporciona protección contra cortocircuitos (este dispositivo puede integrarse en el SPD).

Fig. J50 - Diagrama de un SPD

Fig. J50 - Diagrama de un SPD

La tecnología de la parte viva

Hay varias tecnologías disponibles para implementar la parte activa. Cada uno tiene ventajas y desventajas:

  • Diodos Zener;
  • El tubo de descarga de gas (controlado o no controlado);
  • El varistor (varistor de óxido de zinc [ZOV]).

La siguiente tabla muestra las características y disposiciones de 3 tecnologías de uso común.

Fig. J51 - Tabla resumen de rendimiento

ComponenteTubo de descarga de gas (GDT)Espacio de chispa encapsuladoVaristor de óxido de zincGDT y varistor en serieDescarga de chispas encapsulada y varistor en paralelo
Características
Tubo de descarga de gas (GDT)Espacio de chispa encapsuladoVaristor de óxido de zincGDT y varistor en serieDescarga de chispas encapsulada y varistor en paralelo
Modo operativoConmutación de voltajeConmutación de voltajeLimitación de voltajeConmutación y limitación de tensión en serieConmutación y limitación de tensión en paralelo
Curvas de funcionamientoCurvas de funcionamiento GDTCurvas de funcionamiento
Aplicación

Red de telecomunicaciones

Red LV

(asociado con varistor)

Red LVRed LVRed LVRed LV
Tipo de SPDEscriba 2Escriba 1Tipo 1 o Tipo 2Tipo 1+ Tipo 2Tipo 1+ Tipo 2

Nota: Se pueden instalar dos tecnologías en el mismo SPD (ver Fig. J52)

Fig. J52 - La marca iPRD SPD de XXX Electric incorpora un tubo de descarga de gas entre neutro y tierra y varistores entre fase y neutro

Dispositivo de protección contra sobretensiones SPD SLP40-275-3S + 1 pic1

Fig. J52 - La marca iPRD SPD de LSP Electric incorpora un tubo de descarga de gas entre

Indicación de fin de vida útil de un SPD

Los indicadores de fin de vida están asociados con el seccionador interno y el SCPD externo del SPD para informar al usuario que el equipo ya no está protegido contra sobretensiones de origen atmosférico.

Indicación local

Esta función es generalmente requerida por los códigos de instalación. La indicación de fin de vida viene dada por un indicador (luminoso o mecánico) al seccionador interno y / o al SCPD externo.

Cuando el SCPD externo es implementado por un dispositivo fusible, es necesario proporcionar un fusible con un percutor y una base equipada con un sistema de disparo para asegurar esta función.

Disyuntor seccionador integrado

El indicador mecánico y la posición de la palanca de control permiten una indicación natural del final de la vida útil.

Indicación local e informes remotos

iQuick PRD SPD de la marca XXX Electric es del tipo "listo para cablear" con un disyuntor seccionador integrado.

Indicación local

iQuick PRD SPD (ver Fig. J53) está equipado con indicadores de estado mecánicos locales:

  • el indicador mecánico (rojo) y la posición de la manija del disyuntor de desconexión indican el apagado del SPD;
  • el indicador mecánico (rojo) de cada cartucho indica el final de la vida útil del cartucho.

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

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

Informes remotos

(vea la Fig. J54)

iQuick PRD SPD está equipado con un contacto de indicación que permite la notificación remota de:

  • fin de vida del cartucho;
  • un cartucho faltante y cuando se ha vuelto a colocar en su lugar;
  • una falla en la red (cortocircuito, desconexión de neutro, inversión de fase / neutro);
  • conmutación manual local.

Como resultado, la monitorización remota del estado de funcionamiento de los SPD instalados permite garantizar que estos dispositivos de protección en estado de espera estén siempre listos para funcionar.

Fig. J54 - Instalación de la luz indicadora con un iQuick PRD SPD

Fig. J54 - Instalación de la luz indicadora con un iQuick PRD SPD

Fig. J55 - Indicación remota del estado de SPD usando Smartlink

Fig. J55 - Indicación remota del estado de SPD usando Smartlink

Mantenimiento al final de la vida

Cuando el indicador de fin de vida útil indica apagado, se debe reemplazar el SPD (o el cartucho en cuestión).

En el caso del iQuick PRD SPD, el mantenimiento se facilita:

  • El cartucho al final de su vida útil (para ser reemplazado) es fácilmente identificable por el Departamento de Mantenimiento.
  • El cartucho al final de su vida útil se puede reemplazar con total seguridad porque un dispositivo de seguridad prohíbe el cierre del disyuntor de desconexión si falta un cartucho.

Características detalladas del SCPD externo

Resistencia a la onda actual

La onda de corriente resiste las pruebas en SCPD externos que se muestran a continuación:

  • Para una determinada clasificación y tecnología (fusible NH o cilíndrico), la capacidad de resistencia a la onda de corriente es mejor con un fusible tipo aM (protección del motor) que con un fusible tipo gG (uso general).
  • Para una clasificación dada, la capacidad de resistencia de la onda de corriente es mejor con un disyuntor que con un dispositivo fusible. La Figura J56 a continuación muestra los resultados de las pruebas de resistencia a ondas de voltaje:
  • Para proteger un SPD definido para Imax = 20 kA, el SCPD externo a elegir es un MCB 16 A o un Fusible aM 63 A. Nota: en este caso, un Fusible gG 63 A no es adecuado.
  • Para proteger un SPD definido para Imax = 40 kA, el SCPD externo que se elegirá es un MCB 40 A o un Fusible aM 125 A,

Fig. J56 - Comparación de las capacidades de resistencia de onda de voltaje de los SCPD para Imax = 20 kA e Imax = 40 kA

Fig. J56 - Comparación de las capacidades de resistencia de onda de voltaje de los SCPD para Imax = 20 kA y yomax = 40kA

Nivel de protección de voltaje instalado arriba

En general:

  • La caída de voltaje en los terminales de un disyuntor es mayor que en los terminales de un dispositivo fusible. Esto se debe a que la impedancia de los componentes del interruptor (dispositivos de disparo térmico y magnético) es mayor que la de un fusible.

Sin embargo:

  • La diferencia entre las caídas de tensión sigue siendo leve para ondas de corriente que no superan los 10 kA (95% de los casos);
  • El nivel de protección de voltaje Up instalado también tiene en cuenta la impedancia del cableado. Esto puede ser alto en el caso de una tecnología de fusibles (dispositivo de protección alejado del SPD) y bajo en el caso de una tecnología de interruptor automático (interruptor cerca e incluso integrado en el SPD).

Nota: El nivel de protección de voltaje ascendente instalado es la suma de las caídas de voltaje:

  • en el SPD;
  • en el SCPD externo;
  • en el cableado del equipo

Protección contra cortocircuitos de impedancia

Un cortocircuito de impedancia disipa mucha energía y debe eliminarse muy rápidamente para evitar daños a la instalación y al SPD.

La Figura J57 compara el tiempo de respuesta y la limitación de energía de un sistema de protección mediante un fusible de 63 A aM y un disyuntor de 25 A.

Estos dos sistemas de protección tienen la misma capacidad de soportar ondas de corriente de 8/20 µs (27 kA y 30 kA respectivamente).

Fig. J57 - Comparación de las curvas de limitación de energía y tiempo-corriente para un interruptor automático y un fusible que tienen la misma capacidad de resistencia de onda de corriente de 820 µs

Fig. J57 - Comparación de las curvas de limitación de tiempo / corriente y energía para un disyuntor y un fusible con la misma capacidad de resistencia de onda de corriente de 8/20 µs

Propagación de una onda de rayo

Las redes eléctricas son de baja frecuencia y, como resultado, la propagación de la onda de voltaje es instantánea en relación con la frecuencia del fenómeno: en cualquier punto de un conductor, el voltaje instantáneo es el mismo.

La onda del rayo es un fenómeno de alta frecuencia (varios cientos de kHz a un MHz):

  • La onda del rayo se propaga a lo largo de un conductor a una cierta velocidad en relación con la frecuencia del fenómeno. Como resultado, en un momento dado, el voltaje no tiene el mismo valor en todos los puntos del medio (ver Fig. J58).

Fig. J58 - Propagación de una onda de rayo en un conductor

Fig. J58 - Propagación de una onda de rayo en un conductor

  • Un cambio de medio crea un fenómeno de propagación y / o reflexión de la onda dependiendo de:
  1. la diferencia de impedancia entre los dos medios;
  2. la frecuencia de la onda progresiva (pendiente del tiempo de subida en el caso de un pulso);
  3. la longitud del medio.

En el caso de la reflexión total, en particular, el valor de la tensión puede duplicarse.

Ejemplo: el caso de protección por un SPD

El modelado del fenómeno aplicado a una onda de rayo y las pruebas en el laboratorio mostraron que una carga alimentada por 30 m de cable protegido aguas arriba por un SPD a tensión Up sostiene, debido a fenómenos de reflexión, una tensión máxima de 2 x UP (ver Fig. J59). Esta onda de voltaje no es energética.

Fig. J59 - Reflexión de una onda de rayo en la terminación de un cable

Fig. J59 - Reflexión de una onda de rayo en la terminación de un cable

Acción correctiva

De los tres factores (diferencia de impedancia, frecuencia, distancia), el único que realmente se puede controlar es la longitud del cable entre el SPD y la carga a proteger. Cuanto mayor sea esta longitud, mayor será el reflejo.

Generalmente, para los frentes de sobretensión enfrentados en un edificio, los fenómenos de reflexión son significativos desde 10 my pueden duplicar el voltaje desde 30 m (ver Fig. J60).

Es necesario instalar un segundo SPD en protección fina si la longitud del cable supera los 10 m entre el SPD de entrada y el equipo a proteger.

Fig. J60 - Tensión máxima en el extremo del cable según su longitud a un frente de tensión incidente = 4kVus

Fig. J60 - Tensión máxima en el extremo del cable según su longitud a un frente de tensión incidente = 4kV / us

Ejemplo de corriente de rayo en sistema TT

El SPD de modo común entre fase y PE o fase y PEN se instala independientemente del tipo de disposición de conexión a tierra del sistema (ver Fig. J61).

La resistencia de tierra neutra R1 utilizada para las torres tiene una resistencia menor que la resistencia de tierra R2 utilizada para la instalación.

La corriente del rayo fluirá a través del circuito ABCD a tierra por el camino más fácil. Pasará por los varistores V1 y V2 en serie, provocando un voltaje diferencial igual al doble del voltaje Up del SPD (UP1 + UP2) aparecer en los terminales de A y C a la entrada de la instalación en casos extremos.

Fig. J61 - Protección común solamente

Fig. J61 - Protección común solamente

Para proteger eficazmente las cargas entre Ph y N, se debe reducir la tensión de modo diferencial (entre A y C).

Por lo tanto, se utiliza otra arquitectura SPD (ver Fig. J62)

La corriente del rayo fluye a través del circuito ABH, que tiene una impedancia más baja que el circuito ABCD, ya que la impedancia del componente utilizado entre B y H es nula (vía de chispa llena de gas). En este caso, el voltaje diferencial es igual al voltaje residual del SPD (UP2).

Fig. J62 - Protección común y diferencial

Fig. J62 - Protección común y diferencial