Os dispositivos de protección contra sobrecargas úsanse para redes de subministración de enerxía eléctrica, redes telefónicas e autobuses de comunicación e control automático.

2.4 O dispositivo de protección contra sobretensións (SPD)

O dispositivo de protección contra sobretensións (SPD) é un compoñente do sistema de protección da instalación eléctrica.

Este dispositivo está conectado en paralelo no circuíto de alimentación das cargas que ten que protexer (ver Fig. J17). Tamén se pode empregar a todos os niveis da rede de alimentación.

Este é o tipo de protección contra sobretensións máis usado e máis comúnmente.

Principio

O SPD está deseñado para limitar as sobretensións transitorias de orixe atmosférica e desviar as ondas de corrente cara á terra, de xeito que limita a amplitude desta sobretensión a un valor que non sexa perigoso para a instalación eléctrica e os aparellos de conmutación e control eléctricos.

O SPD elimina as sobretensións:

• en modo común, entre fase e neutro ou terra;
• en modo diferencial, entre fase e neutro. En caso de sobretensión que supere o limiar de funcionamento, o SPD
• conduce a enerxía á terra, en modo común;
• distribúe a enerxía aos outros condutores en directo, en modo diferencial.

Os tres tipos de SPD:

• Escribe 1 SPD

O SPD tipo 1 recoméndase no caso específico de edificios do sector servizos e industriais, protexidos por un sistema de protección contra raios ou unha gaiola mallada. Protexe as instalacións eléctricas contra os raios directos. Pode descargar a corrente de volta do raio que se estende dende o condutor de terra ata os condutores da rede.

O SPD tipo 1 caracterízase por unha onda de corrente de 10/350 μs.

• Escribe 2 SPD

O SPD tipo 2 é o principal sistema de protección para todas as instalacións eléctricas de baixa tensión. Instalado en cada cadro eléctrico, evita a propagación de sobretensións nas instalacións eléctricas e protexe as cargas.

O SPD tipo 2 caracterízase por unha onda de corrente de 8/20 μs.

• Escribe 3 SPD

Estes SPD teñen unha baixa capacidade de descarga. Polo tanto, deben instalarse obrigatoriamente como complemento ao SPD de tipo 2 e nas proximidades de cargas sensibles. O SPD tipo 3 caracterízase por unha combinación de ondas de tensión (1.2 / 50 μs) e ondas de corrente (8/20 μs).

Definición normativa SPD

2.4.1 Características do SPD

A norma internacional IEC 61643-11 Edición 1.0 (03/2011) define as características e probas para SPD conectado a sistemas de distribución de baixa tensión (ver Fig. J19).

• Características comúns

- OU_c: Tensión máxima de funcionamento continua

Esta é a tensión CA ou CC por encima da cal se activa o SPD. Este valor elíxese segundo a tensión nominal e a disposición de posta a terra do sistema.

- OU_p: Nivel de protección contra tensión (en I_n)

Esta é a tensión máxima entre os terminais do SPD cando está activo. Esta tensión alcánzase cando a corrente que flúe no SPD é igual a I_n. O nivel de protección de tensión elixido debe estar por debaixo da capacidade de resistencia ás sobretensións das cargas (ver sección 3.2). En caso de raios, a tensión entre os terminais do SPD xeralmente segue sendo inferior a U_p.

- Eu_n: Intensidade de descarga nominal

Este é o valor máximo dunha corrente de 8/20 μs de forma de onda que o SPD é capaz de descargar 15 veces.

• Escribe 1 SPD

- Eu_diabinho: Impulso actualmente

Este é o valor máximo dunha corrente de 10/350 μs de forma de onda que o SPD é capaz de descargar 5 veces.

- Eu_fi: Autoextinguir o seguimento actual

Aplicable só á tecnoloxía spark gap.

Esta é a corrente (50 Hz) que o SPD é capaz de interromper por si só despois do flashover. Esta corrente sempre debe ser maior que a corrente de curtocircuíto potencial no punto de instalación.

• Escribe 2 SPD

- Eu_max: Corrente de descarga máxima

Este é o valor máximo dunha corrente de forma de onda de 8/20 μs que o SPD é capaz de descargar unha vez.

• Escribe 3 SPD

- OU_oc: Tensión de circuíto aberto aplicada durante as probas de clase III (tipo 3).

2.4.2 Principais aplicacións

• SPD de baixa tensión

Con este termo designanse dispositivos moi diferentes, tanto desde o punto de vista tecnolóxico como do uso. Os SPD de baixa tensión son modulares para instalarse facilmente dentro de cadros de baixa tensión. Tamén hai SPD adaptables a tomas de corrente, pero estes dispositivos teñen unha baixa capacidade de descarga.

• SPD para redes de comunicación

Estes dispositivos protexen as redes telefónicas, as redes conmutadas e as redes de control automático (bus) contra sobretensións procedentes do exterior (raios) e as internas á rede de alimentación (equipos contaminantes, operación de cadros, etc.).

Estes SPD tamén se instalan en conectores RJ11, RJ45, ... ou están integrados en cargas.

3 Deseño do sistema de protección da instalación eléctrica

Para protexer unha instalación eléctrica nun edificio, aplícanse regras sinxelas para a elección

• SPD (s);
• é un sistema de protección.

3.1 Normas de deseño

Para un sistema de distribución de enerxía, as principais características empregadas para definir o sistema de protección contra raios e seleccionar un SPD para protexer unha instalación eléctrica nun edificio son:

• SPD

- a cantidade de SPD;

- tipo;

- nivel de exposición para definir a corrente de descarga máxima do SPD I_max.

• O dispositivo de protección contra curtocircuíto

- corrente de descarga máxima I_max;

- corrente de curtocircuíto I_sc no momento da instalación.

O diagrama lóxico da figura J20 a continuación ilustra esta regra de deseño.

As outras características para a selección dun SPD están predefinidas para unha instalación eléctrica.

• número de polos en SPD;
• nivel de protección de tensión U_p;
• tensión de funcionamento U_c.

Esta sub-sección J3 describe con maior detalle os criterios para a selección do sistema de protección segundo as características da instalación, os equipos a protexer e o ambiente.

3.2 Elementos do sistema de protección

Sempre se debe instalar un SPD na orixe da instalación eléctrica.

3.2.1 Localización e tipo de SPD

O tipo de SPD que se instalará na orixe da instalación depende de se existe ou non un sistema de protección contra raios. Se o edificio está equipado cun sistema de protección contra raios (segundo IEC 62305), debería instalarse un SPD tipo 1.

Para o SPD instalado ao final da instalación, as normas de instalación IEC 60364 establecen valores mínimos para as seguintes 2 características:

• Intensidade de descarga nominal I_n = 5 kA (8/20) μs;
• Nivel de protección de tensión U_p (en I_n) <2.5 kV.

O número de SPD adicionais que se instalarán está determinado por:

• o tamaño do sitio e a dificultade para instalar condutores de unión. En sitios grandes, é esencial instalar un SPD no extremo entrante de cada recinto de subdistribución.
• a distancia que separa as cargas sensibles a protexer do dispositivo de protección de entrada. Cando as cargas están situadas a máis de 30 metros do dispositivo de protección do extremo de entrada, é necesario proporcionar unha protección fina adicional o máis próxima posible ás cargas sensibles. Os fenómenos de reflexión de ondas aumentan de 10 metros (ver capítulo 6.5)
• o risco de exposición. No caso dun sitio moi exposto, o SPD de entrada non pode asegurar tanto un alto fluxo de corrente de raio como un nivel de protección de voltaxe suficientemente baixo. En particular, un SPD de tipo 1 adoita acompañarse dun SPD de tipo 2.

A táboa da figura J21 a continuación mostra a cantidade e o tipo de SPD que se establecerá en función dos dous factores definidos anteriormente.

3.4 Selección dun SPD tipo 1

3.4.1 Corrente de impulso I_diabinho

• Se non hai regulamentos nacionais ou regulamentos específicos para o tipo de edificio a protexer, a corrente de impulso I_diabinho deberá ser como mínimo de 12.5 kA (onda 10/350 μs) por rama segundo IEC 60364-5-534.

• Cando existen regulamentos: a norma 62305-2 define 4 niveis: I, II, III e IV. A táboa da figura J31 mostra os diferentes niveis de I_diabinho no caso regulamentario.

3.4.2 Autoextinguir seguir a corrente I_fi

Esta característica só é aplicable aos SPD con tecnoloxía de fenda de chispa. A auto-extinción segue a corrente I_fi debe ser sempre maior que a corrente de curtocircuíto potencial I_sc no momento da instalación.

3.5 Selección dun SPD tipo 2

3.5.1 Intensidade de descarga máxima I_max

A intensidade máxima de descarga Imax defínese segundo o nivel de exposición estimado en relación coa situación do edificio.

O valor da corrente máxima de descarga (I_max) determínase mediante unha análise de riscos (ver táboa na Figura J32).

3.6 Selección do dispositivo de protección de curtocircuíto (SCPD) externo

Os dispositivos de protección (térmicos e curtocircuítos) deben estar coordinados co SPD para garantir un funcionamento fiable, é dicir

• garantir a continuidade do servizo:

- soportar ondas de corrente de lóstrego;

- non xerar unha tensión residual excesiva.

• garantir unha protección eficaz contra todo tipo de sobrecorriente:

- sobrecarga tras a fuxida térmica do varistor;

- curtocircuíto de baixa intensidade (impedante);

- curtocircuíto de alta intensidade.

3.6.1 Riscos que deben evitarse ao final da vida dos SPD

• Debido ao envellecemento

No caso de fin de vida natural debido ao envellecemento, a protección é de tipo térmico. O SPD con varistores debe ter un seccionador interno que desactive o SPD.

Nota: O final da vida por fuxida térmica non afecta ao SPD con tubo de descarga de gas ou fenda encintada.

• Por un fallo

As causas do final da vida debido a un fallo de curtocircuíto son:

- Superouse a capacidade máxima de descarga.

Esta falla orixina un forte curtocircuíto.

- Un fallo debido ao sistema de distribución (neutro / conmutación de fase, neutro

desconexión).

- Deterioro gradual do varistor.

Estas dúas últimas fallas dan lugar a un curtocircuíto impedante.

A instalación debe estar protexida contra os danos derivados deste tipo de avarías: o seccionador interno (térmico) definido anteriormente non ten tempo para quentar e, polo tanto, para funcionar.

Debería instalarse un dispositivo especial chamado "Dispositivo de protección contra curtocircuíto externo (SCPD externo)", capaz de eliminar o curtocircuíto. Pode implementarse mediante un interruptor automático ou un dispositivo fusible.

3.6.2 Características do SCPD externo (Dispositivo de protección contra curtocircuíto)

O SCPD externo debería estar coordinado co SPD. Está deseñado para cumprir as dúas restricións seguintes:

Resiste a corrente de lóstrego

A resistencia á corrente lóstrego é unha característica esencial do dispositivo de protección contra curtocircuíto do SPD.

O SCPD externo non debe tropezar con 15 correntes de impulso sucesivas en I_n.

Resistencia de corrente de curtocircuíto

• A capacidade de ruptura está determinado polas regras de instalación (norma IEC 60364):

O SCPD externo debería ter unha capacidade de rotura igual ou superior á corrente de curtocircuíto potencial Isc no punto de instalación (de acordo coa norma IEC 60364).

• Protección da instalación contra curtocircuítos

En particular, o curtocircuíto impedante disipa moita enerxía e debe eliminarse moi rapidamente para evitar danos na instalación e no SPD.

O fabricante debe dar a asociación correcta entre un SPD e o seu SCPD externo.

3.6.3 Modo de instalación do SCPD externo

• Dispositivo "en serie"

O SCPD descríbese como "en serie" (ver Fig. J33) cando a protección a realiza o dispositivo de protección xeral da rede a protexer (por exemplo, o interruptor automático de conexión fronte á instalación).

• Dispositivo "en paralelo"

O SCPD descríbese como "en paralelo" (ver Fig. J34) cando a protección é realizada especificamente por un dispositivo de protección asociado ao SPD.

• O SCPD externo chámase "interruptor automático de desconexión" se a función é realizada por un interruptor automático.
• O interruptor automático de desconexión pode estar ou non integrado no SPD.

Nota: no caso dun SPD con tubo de descarga de gas ou fenda encintada, o SCPD permite cortar a corrente inmediatamente despois do seu uso.

Nota: Os dispositivos de corrente residual tipo S de acordo coas normas IEC 61008 ou IEC 61009-1 cumpren este requisito.

3.7.1 Coordinación con dispositivos de protección augas arriba

Coordinación con dispositivos de protección contra sobrecorriente

Nunha instalación eléctrica, o SCPD externo é un aparello idéntico ao de protección: isto permite aplicar técnicas de discriminación e en cascada para a optimización técnica e económica do plan de protección.

Coordinación con dispositivos de corrente residual

Se o SPD está instalado augas abaixo dun dispositivo de protección contra fugas de terra, este último debería ser do tipo "si" ou selectivo cunha inmunidade ás correntes de impulso de polo menos 3 kA (8/20 μs de onda de corrente).

4 Instalación de SPD

As conexións dun SPD ás cargas deberían ser o máis curtas posibles para reducir o valor do nivel de protección de tensión (instalado arriba) nos terminais do equipo protexido. A lonxitude total das conexións SPD á rede e ao bloque de terminales de terra non debe exceder os 50 cm.

4.1 Conexión

Unha das características esenciais para a protección dos equipos é o nivel máximo de protección de tensión (U instalado_p) que o equipo pode soportar nos seus terminais. En consecuencia, debería elixirse un SPD cun nivel de protección de tensión U_p adaptado á protección do equipo (ver Fig. J38). A lonxitude total dos condutores de conexión é de

L = L1 + L2 + L3.

Para correntes de alta frecuencia, a impedancia por unidade de lonxitude desta conexión é de aproximadamente 1 μH / m.

Polo tanto, aplicando a lei de Lenz a esta conexión: ∆U = L di / dt

A onda de corrente normalizada de 8/20 μs, cunha amplitude de corrente de 8 kA, crea en consecuencia unha subida de tensión de 1000 V por metro de cable.

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

Como resultado, a tensión a través dos terminais do equipo, instalados Up, é:

instalado U_p = U_p + U1 + U2

Se L1 + L2 + L3 = 50 cm e a onda é de 8/20 μs cunha amplitude de 8 kA, a tensión nos terminais do equipo será U_p + 500 V.

4.1.1 Conexión no recinto de plástico

A figura J39a a continuación mostra como conectar un SPD no recinto de plástico.

4.1.2 Conexión no recinto metálico

No caso dun conxunto de aparellos de distribución nun recinto metálico, pode ser aconsellable conectar o SPD directamente ao recinto metálico, empregándose o recinto como condutor de protección (ver Fig. J39b).

Esta disposición cumpre coa norma IEC 61439-2 e o fabricante de MONTAXE debe asegurarse de que as características do armario fan posible este uso.

4.1.3 Sección transversal do condutor

A sección mínima recomendada do condutor ten en conta:

• O servizo normal que se prestará: fluxo da onda de corrente de lóstrego baixo unha caída máxima de tensión (regra de 50 cm).

Nota: A diferenza das aplicacións a 50 Hz, sendo o fenómeno do raio de alta frecuencia, o aumento da sección transversal do condutor non reduce moito a súa impedancia de alta frecuencia.

• Resistencia dos condutores ás correntes de curtocircuíto: o condutor debe resistir unha corrente de curtocircuíto durante o tempo máximo de corte do sistema de protección.

IEC 60364 recomenda no extremo de entrada da instalación unha sección transversal mínima de:

- 4 mm² (Cu) para conexión de SPD tipo 2;

- 16 mm² (Cu) para conexión de SPD tipo 1 (presenza de sistema de protección contra raios).

4.2 Regras de cableado

• Regra 1: a primeira regra a cumprir é que a lonxitude das conexións SPD entre a rede (a través do SCPD externo) e o bloque de terminais de terra non debe exceder os 50 cm.

A figura J40 mostra as dúas posibilidades de conexión dun SPD.

• Regra 2: Os condutores dos alimentadores saíntes protexidos:

- debería estar conectado aos terminais do SCPD externo ou do SPD;

- deben separarse fisicamente dos condutores entrantes contaminados.

Atópanse á dereita dos terminais do SPD e do SCPD (ver Fig. J41).

• Regra 3: Os condutores de fase de entrada, neutro e protección (PE) deben funcionar un ao lado do outro para reducir a superficie do lazo (ver Fig. J42).
• Regra 4: Os condutores entrantes do SPD deben estar afastados dos condutores saíntes protexidos para evitar contaminalos mediante acoplamento (ver Fig. J42).
• Regra 5: Os cables deben estar fixados contra as partes metálicas do recinto (se as hai) para minimizar a superficie do lazo do cadro e, polo tanto, beneficiarse dun efecto de protección contra as perturbacións EM.

En todos os casos, débese comprobar que os cadros dos cadros e caixas están conectados a terra a través de conexións moi curtas.

Finalmente, se se utilizan cables apantallados, deberíanse evitar longitudes grandes porque reducen a eficiencia do apantallamento (ver Fig. J42).

Aplicación 5

5.1 Exemplos de instalación

Solucións e diagrama esquemático

• A guía de selección de descargadores permitiu determinar o valor preciso do descargador de sobretensións no extremo de entrada da instalación e o do interruptor de desconexión asociado.
• Como os dispositivos sensibles (U_p <1.5 kV) atópanse a máis de 30 m do dispositivo de protección entrante, os descargadores de protección fina deben instalarse o máis preto posible das cargas.
• Para garantir unha mellor continuidade do servizo nas zonas de cámara frigorífica:

- Utilizaranse interruptores automáticos de corrente residual tipo "si" para evitar que se produzan molestias provocadas polo aumento do potencial terrestre ao pasar a onda lóstrego.

• Para protección contra sobretensións atmosféricas:

- instale un descargador de sobretensións no cadro principal

- instale un descargador de protección fina en cada cadro (1 e 2) que subministre os dispositivos sensibles situados a máis de 30 m do descargador de sobretensión entrante

- instale un descargador de sobretensións na rede de telecomunicacións para protexer os dispositivos subministrados, por exemplo, alarmas contra incendios, módems, teléfonos, faxes.

Recomendacións de cableado

- Garantir a equipotencialidade das terminacións de terra do edificio.

- Reducir as áreas do cable de alimentación eléctrica.

Recomendacións de instalación

• Instale un descargador de sobretensións, Imax = 40 kA (8/20 μs) e un interruptor automático de desconexión iC60 clasificado en 20 A.
• Instale descargadores de protección fina Imax = 8 kA (8/20 μs) e os interruptores de desconexión iC60 asociados clasificados en 20.