Como funciona o dispositivo de protección contra sobretensións (SPD)
A capacidade dun SPD para limitar as sobretensións na rede de distribución eléctrica desviando as correntes de sobretensión é unha función dos compoñentes de protección contra sobretensións, a estrutura mecánica do SPD e a conexión á rede de distribución eléctrica. Un SPD está destinado a limitar as sobretensións transitorias e desviar a corrente de sobretensión ou ambas. Contén polo menos un compoñente non lineal. Nos termos máis sinxelos, os SPD están destinados a limitar as sobretensións transitorias co obxectivo de evitar danos e tempos de inactividade dos equipos debido ás sobretensións transitorias que chegan aos dispositivos que protexen.
Por exemplo, considere un muíño de auga protexido por unha válvula de alivio de presión. A válvula de alivio de presión non fai nada ata que se produce un pulso de sobrepresión no abastecemento de auga. Cando isto ocorre, a válvula ábrese e evita a presión extra de xeito que non alcance a roda de auga.
Se a válvula de alivio non estivese presente, unha presión excesiva podería danar a roda de auga ou quizais a unión da serra. Aínda que a válvula de alivio está no seu lugar e funciona correctamente, algúns restos do pulso de presión aínda alcanzarán a roda. Pero a presión reducirase o suficiente para non danar a roda de auga nin perturbar o seu funcionamento. Isto describe a acción dos SPD. Reducen os transitorios a niveis que non danarán nin interromperán o funcionamento de equipos electrónicos sensibles.
Tecnoloxías empregadas
Que tecnoloxías se usan nos SPD?
Desde IEEE Std. C62.72: Algúns compoñentes comúns de protección contra sobretensións utilizados na fabricación de SPD son os varistores de óxido metálico (MOV), os diodos de avalancha (ABD - antes coñecidos como diodos de avalancha de silicio ou SAD) e os tubos de descarga de gas (GDT). Os MOV son a tecnoloxía máis utilizada para a protección de circuítos de alimentación de CA. A taxa de intensidade de corrente dun MOV está relacionada coa área da sección transversal e a súa composición. En xeral, canto maior sexa a área da sección transversal, maior será a intensidade nominal do dispositivo. Os MOV son xeralmente de xeometría redonda ou rectangular, pero presentan unha infinidade de dimensións estándar que van dende 7 mm (0.28 polgadas) ata 80 mm (3.15 polgadas). A potencia actual destes compoñentes de protección contra sobretensións varía moito e depende do fabricante. Como se comentou anteriormente nesta cláusula, ao conectar os MOV nunha matriz paralela, podería calcularse un valor de corrente de sobrecarga simplemente engadindo as clasificacións de corrente de subida dos MOV individuais para obter a clasificación de corrente de sobretensión da matriz. Ao facelo, débese considerar a coordinación das características operativas dos MOV seleccionados.
Hai moitas hipóteses sobre que compoñente, que topoloxía e o despregue de tecnoloxía específica produce o mellor SPD para desviar a corrente de sobretensión. En vez de presentar todas as opcións, é mellor que a discusión sobre a clasificación de corrente de sobretensión, a valoración de corrente de descarga nominal ou as capacidades de corrente de xiro xiren en torno aos datos das probas de rendemento. Independentemente dos compoñentes empregados no deseño ou da estrutura mecánica específica despregada, o importante é que o SPD teña unha corrente de sobretensión ou unha corrente de descarga nominal adecuada para a aplicación.
A continuación faise unha descrición máis extensa destes compoñentes. Os compoñentes empregados nos SPD varían considerablemente. Aquí tes unha mostra destes compoñentes:
Varistor de óxido metálico (MOV)
Normalmente, os MOV consisten nun corpo de óxido de cinc sinterizado de forma redonda ou rectangular con aditivos adecuados. Outros tipos en uso inclúen formas tubulares e estruturas multicapa. Os varistores teñen electrodos de partículas metálicas consistentes nunha aliaxe de prata ou outro metal. Os electrodos poden aplicarse ao corpo mediante cribado e sinterización ou por outros procesos dependendo do metal usado. Os varistores tamén adoitan ter cables de arame ou pestañas ou algún outro tipo de terminación que se puido soldar ao electrodo.
O mecanismo básico de condución dos MOV resulta de unións semicondutoras no límite dos grans de óxido de cinc formados durante un proceso de sinterización. O varistor pódese considerar un dispositivo de unións múltiples con moitos grans que actúan en combinación serie-paralelo entre os terminais. Na figura 1 móstrase unha vista esquemática en sección transversal dun varistor típico.
Os varistores teñen a propiedade de manter un cambio de tensión relativamente pequeno entre os seus terminais mentres a intensidade de corrente que flúe a través deles varía ao longo de varias décadas de magnitude. Esta acción non lineal permítelles desviar a corrente dunha sobretensión cando se conecta en derivación a través da liña e limita a tensión a través de liña a valores que protexen o equipo conectado a esa liña.
Diodo de avalancha (ADB)
Estes dispositivos tamén se coñecen como diodo de avalancha de silicio (SAD) ou supresor de tensión transitoria (TVS). O diodo de avaría da unión PN, na súa forma básica, é unha unión PN única que consiste nun ánodo (P) e un cátodo (N). Vexa a Figura 2a. Nas aplicacións de circuítos de corrente continua, o protector está nesgado de xeito que se aplica un potencial positivo ao lado do cátodo (N) do dispositivo. Vexa a Figura 2b.
O diodo de avalancha ten tres rexións de funcionamento, 1) polarización directa (baixa impedancia), 2) estado off (alta impedancia) e 3) rotura de polarización inversa (impedancia relativamente baixa). Estas rexións pódense ver na Figura 3. No modo de polarización directa cunha tensión positiva na rexión P, o diodo ten unha impedancia moi baixa unha vez que a tensión supera a tensión do diodo de polarización directa, VFS. O VFS normalmente é inferior a 1 V e defínese a continuación. O estado off esténdese de 0 V a xusto por debaixo dun VBR positivo na rexión N. Nesta rexión, as únicas correntes que flúen son as correntes de fuga dependentes da temperatura e as correntes de túnel de Zener para os diodos de baixa tensión de avaría. A rexión de desvío do sesgo inverso comeza cun VBR positivo na rexión N. En VBR os electróns que cruzan a unión son suficientemente acelerados polo campo alto da rexión de unión para que as colisións de electróns orixinen unha cascada ou avalancha de electróns e buratos. O resultado é unha forte caída na resistencia do diodo. Tanto as rexións de desvío de sesgo directo como de sesgo inverso poden usarse como protección.
As características eléctricas dun diodo de avalancha son intrínsecamente asimétricas. Tamén se fabrican produtos de protección de diodos de avalancha simétricos consistentes en unións de costas a costas.
Tubo de descarga de gas (GDT)
Os tubos de descarga de gas consisten en dous ou máis electrodos metálicos separados por un pequeno oco e suxeitos por un cilindro de cerámica ou vidro. O cilindro está cheo dunha mestura de gases nobres, que chispa nunha descarga de resplandor e finalmente un arco cando se aplica unha tensión suficiente aos electrodos.
Cando unha tensión que aumenta lentamente a través do oco alcanza un valor determinado principalmente polo espazamento dos electrodos, a presión do gas e a mestura de gases, o proceso de activación iníciase na tensión de desconexión. Unha vez que se produce unha chispa, son posibles varios estados de funcionamento, dependendo do circuíto externo. Estes estados móstranse na figura 4. En correntes inferiores á corrente de transición de brillo a arco, existe unha rexión de brillo. A baixas correntes na rexión luminosa, a tensión é case constante; con altas correntes de brillo, algúns tipos de tubos de gas poden entrar nunha rexión de brillo anormal na que a tensión aumenta. Máis alá desta rexión de brillo anormal, a impedancia do tubo de descarga de gas diminúe na rexión de transición á condición de arco de baixa tensión. A corrente de transición de arco a brillo pode ser inferior á transición de arco a brillo. A característica eléctrica do GDT, xunto cos circuítos externos, determina a capacidade do GDT de extinguirse despois do paso dunha sobretensión e tamén determina a enerxía disipada no descargador durante a sobretensión.
Se a tensión aplicada (por exemplo, transitoria) aumenta rapidamente, o tempo necesario para o proceso de ionización / formación do arco pode permitir que a tensión transitoria supere o valor requirido para a avaría no parágrafo anterior. Esta tensión defínese como a tensión de ruptura de impulso e xeralmente é unha función positiva da taxa de subida da tensión aplicada (transitoria).
Un GDT de tres electrodos de cámara única ten dúas cavidades separadas por un electrodo de anel central. O burato do electrodo central permite que o plasma de gas dunha cavidade condutora inicie a condución na outra cavidade, aínda que a outra tensión da cavidade pode estar por debaixo da tensión de chispa.
Debido á súa acción de conmutación e á súa robusta construción, os GDT poden superar outros compoñentes SPD en capacidade de transporte de corrente. Moitos GDT de telecomunicacións poden transportar facilmente correntes de subida de ata 10 kA (forma de onda de 8/20 µs). Ademais, dependendo do deseño e do tamaño do GDT, pódense conseguir correntes de oleada de> 100 kA.
A construción de tubos de descarga de gas é tal que teñen unha capacidade moi baixa, xeralmente inferior a 2 pF. Isto permite o seu uso en moitas aplicacións de circuítos de alta frecuencia.
Cando os GDT funcionan, poden xerar radiación de alta frecuencia, que pode influír na electrónica sensible. Polo tanto, é aconsellable situar os circuítos GDT a certa distancia da electrónica. A distancia depende da sensibilidade da electrónica e do grao de protección dos electrónicos. Outro método para evitar o efecto é colocar o GDT nun recinto blindado.
Definicións para GDT
Un oco, ou varios ocos con dous ou tres electrodos metálicos pechados hermeticamente para que a mestura de gases e a presión estean baixo control, deseñados para protexer o aparello ou o persoal, ou ambos, de altas tensións transitorias.
Or
Un oco ou ocos nun medio de descarga pechado, distinto do aire a presión atmosférica, deseñado para protexer o aparello ou o persoal, ou ambos, de altas tensións transitorias.
- Filtros LCR
Estes compoñentes varían na súa:
- capacidade enerxética
- dispoñibilidade
- confianza
- custa
- eficacia
Da IEEE Std C62.72: a capacidade dun SPD para limitar as sobretensións na rede de distribución eléctrica desviando as correntes de sobretensión é unha función dos compoñentes de protección contra sobretensións, a estrutura mecánica do SPD e a conexión á rede de distribución eléctrica. Algúns compoñentes comúns de protección contra sobretensións utilizados na fabricación de SPD son MOV, SASD e tubos de descarga de gas, sendo os MOV os que máis utilizan. A taxa de intensidade de corrente dun MOV está relacionada coa área da sección transversal e a súa composición. En xeral, canto maior sexa a área de sección transversal, maior será a intensidade nominal de corrente do dispositivo. Os MOV son xeralmente de xeometría redonda ou rectangular, pero presentan unha infinidade de dimensións estándar que oscilan entre os 7 mm e os 0.28 mm. A potencia actual destes compoñentes de protección contra sobretensións varía moito e depende do fabricante. Ao conectar os MOV nunha matriz paralela, podería calcularse unha valoración teórica de corrente de sobrecarga simplemente engadindo as clasificacións actuais dos MOV individuais para obter a clasificación de corrente de subida da matriz.
Hai moitas hipóteses sobre que compoñente, que topoloxía e o despregue de tecnoloxía específica produce o mellor SPD para desviar a corrente de sobretensión. En vez de presentar todos estes argumentos e deixar que o lector descifre estes temas, o mellor é que a discusión sobre a clasificación de corrente de sobrecarga, a valoración de corrente de descarga nominal ou as capacidades de corrente de xiro xiren en torno aos datos das probas de rendemento. Independentemente dos compoñentes empregados no deseño ou da estrutura mecánica específica despregada, o importante é que o SPD teña unha potencia de intensidade ou unha corrente nominal de descarga adecuada para a aplicación e, probablemente o máis importante, que o SPD limite o transitorio sobretensións a niveis que evitan danos ao equipo protexido dado o ambiente de sobretensión esperado.
Modos básicos de funcionamento
A maioría dos SPD teñen tres modos de funcionamento básicos:
- Á espera
- Desviando
En cada modo, a corrente flúe a través do SPD. Non obstante, o que non se entende é que poida existir un tipo de corrente diferente en cada modo.
O modo de espera
En situacións de enerxía normal cando se fornece "enerxía limpa" dentro dun sistema de distribución eléctrica, o SPD realiza unha función mínima. No modo de espera, o SPD está á espera de que se produza unha sobretensión e consome pouca ou ningunha enerxía eléctrica; principalmente a utilizada polos circuítos de vixilancia.
O modo de desvío
Ao detectar un evento de sobretensión transitoria, o SPD cambia ao modo de desvío. O propósito dun SPD é desviar a corrente de impulso prexudicial lonxe das cargas críticas, reducindo á vez a súa magnitude de voltaxe resultante a un nivel baixo e inofensivo.
Tal como o define ANSI / IEEE C62.41.1-2002, un transitorio de corrente típico dura só unha fracción de ciclo (microsegundos), un fragmento de tempo cando se compara co fluxo continuo dun sinal sinusoidal de 60Hz.
A magnitude da corrente de onda depende da súa fonte. Os raios, por exemplo, que en ocasións raras poden conter magnitudes actuais superiores a varios centos de miles de amperios. Non obstante, dentro dunha instalación, os eventos transitorios xerados internamente producirán magnitudes actuais máis baixas (menos duns miles ou cen amperios).
Dado que a maioría dos SPD están deseñados para manexar grandes correntes de oleada, un punto de referencia de rendemento é a valoración de corrente de descarga nominal (In) do produto. Con frecuencia confundida coa corrente de falla, pero non relacionada, esta grande magnitude de corrente é unha indicación da capacidade de resistencia repetida probada polo produto.
Desde IEEE Std. C62.72: A valoración de corrente de descarga nominal exerce a capacidade dun SPD para ser sometido a subidas repetidas de corrente (15 sobretensións totais) dun valor seleccionado sen danos, degradación ou un cambio no rendemento de tensión limitante medido dun SPD. A proba de corrente nominal de descarga inclúe todo o SPD, incluídos todos os compoñentes de protección contra sobretensións e seccionadores SPD internos ou externos. Durante a proba, ningún compoñente ou seccionador está autorizado a fallar, abrir o circuíto, danarse ou degradarse. Para acadar unha clasificación particular, o nivel de rendemento da tensión limitante medida do SPD debe manterse entre a comparación previa e posterior á proba. O obxectivo destas probas é demostrar a capacidade e o rendemento dun SPD en resposta a sobretensións que nalgúns casos son graves pero que se poderían esperar no equipo de servizo, dentro dunha instalación ou no lugar da instalación.
Por exemplo, un SPD cunha capacidade de descarga nominal de 10,000 ou 20,000 amperios por modo significa que o produto debería poder soportar con seguridade unha magnitude de corrente transitoria de 10,000 ou 20,000 amperios un mínimo de 15 veces, en cada un dos modos de protección.
Escenarios de fin de vida
Desde IEEE Std C62.72: a maior ameaza para a fiabilidade a longo prazo dos SPD pode non ser a subida de tensións, senón as repetidas sobretensións momentáneas ou temporais (TOVs ou "swells") que poden ocorrer no PDS. Os SPD cun MCOV - que están precariamente próximos á tensión nominal do sistema son máis susceptibles a tales sobretensións que poden provocar un envellecemento prematuro do SPD ou un fin de vida prematuro. Unha regra xeral que se usa a miúdo é determinar se o MCOV do SPD é polo menos o 115% da tensión nominal do sistema para cada modo de protección específico. Isto permitirá que o SPD non se vexa afectado polas variacións normais de tensión do PDS.
Non obstante, ademais dos eventos de sobretensión sostida, os SPD poden envellecer ou degradarse ou alcanzar a súa condición de fin de servizo ao longo do tempo debido a sobretensións que superan as valoracións SPDs para a corrente de sobretensión, a taxa de aparición de eventos de sobretensión, a duración da sobretensión. , ou a combinación destes eventos. Os eventos repetitivos de sobretensión de amplitude significativa durante un período de tempo poden sobrecalentar os compoñentes do SPD e facer que os compoñentes de protección contra sobretensións envellecen. Ademais, as sobretensións repetitivas poden provocar que os seccionadores SPD activados térmicamente funcionen prematuramente debido ao quecemento dos compoñentes de protección contra sobretensións. As características dun SPD poden cambiar a medida que alcanza a súa condición de fin de servizo; por exemplo, as tensións límites medidas poden aumentar ou diminuír.
Nun esforzo por evitar a degradación debido ás sobretensións, moitos fabricantes de SPD proxectan SPD con altas capacidades de corrente de sobretensión ben usando compoñentes físicamente máis grandes ou conectando varios compoñentes en paralelo. Isto faise para evitar a probabilidade de que se superen as clasificacións do SPD como montaxe, excepto en casos moi raros e excepcionais. O éxito deste método está apoiado pola longa vida útil e a historia dos SPD instalados existentes deseñados deste xeito.
No que se refire á coordinación SPD e, como se dixo con respecto ás cualificacións de corrente de sobretensión, é lóxico ter un SPD con maiores clasificacións de corrente de sobretensión situadas no equipo de servizo onde o PDS está máis exposto a sobretensións para axudar na prevención do envellecemento prematuro; mentres tanto, os SPD máis abaixo do equipamento de servizo que non están expostos a fontes externas de sobretensións poden ter clasificacións inferiores. Cun bo deseño e coordinación do sistema de protección contra sobretensións pódese evitar o envellecemento prematuro do SPD.
Outras causas de fallo SPD inclúen:
- Erros de instalación
- Aplicación incorrecta dun produto pola súa tensión nominal
- Eventos de sobretensión sostidos
Cando falla un compoñente de supresión, a miúdo faino como un curto, facendo que a corrente comece a fluír polo compoñente que falla. A cantidade de corrente dispoñible para fluír a través deste compoñente fallido é unha función da corrente de fallo dispoñible e é impulsada polo sistema de alimentación. Para obter máis información sobre as correntes de fallos, consulte Información relacionada coa seguridade do SPD.
