Come funziona il dispositivo di protezione dalle sovratensioni (SPD)

Come funziona il dispositivo di protezione dalle sovratensioni (SPD)

La capacità di un SPD di limitare le sovratensioni sulla rete di distribuzione elettrica deviando le sovracorrenti è funzione dei componenti di protezione contro le sovratensioni, della struttura meccanica dell'SPD e del collegamento alla rete di distribuzione elettrica. Un SPD ha lo scopo di limitare le sovratensioni transitorie e deviare la corrente di picco, o entrambi. Contiene almeno un componente non lineare. In parole povere, gli SPD hanno lo scopo di limitare le sovratensioni transitorie con l'obiettivo di prevenire danni alle apparecchiature e tempi di fermo dovuti a picchi di tensione transitori che raggiungono i dispositivi che proteggono.

Si consideri, ad esempio, un mulino ad acqua protetto da una valvola limitatrice di pressione. La valvola limitatrice di pressione non fa nulla finché non si verifica un impulso di sovrapressione nell'alimentazione dell'acqua. Quando ciò accade, la valvola si apre e devia la pressione extra, in modo che non raggiunga la ruota idraulica.

Se la valvola di sicurezza non fosse presente, una pressione eccessiva potrebbe danneggiare la ruota idraulica, o forse il collegamento per la sega. Anche se la valvola di sfiato è in posizione e funziona correttamente, una parte dell'impulso di pressione continuerà a raggiungere la ruota. Ma la pressione sarà stata ridotta abbastanza da non danneggiare la ruota idraulica o interromperne il funzionamento. Questo descrive l'azione degli SPD. Riducono i transitori a livelli che non danneggiano o interrompono il funzionamento di apparecchiature elettroniche sensibili.

Tecnologie utilizzate

Quali tecnologie vengono utilizzate negli SPD?

Da IEEE Std. C62.72: Alcuni componenti di protezione contro le sovratensioni comuni utilizzati nella produzione di SPD sono varistori a ossido di metallo (MOV), diodi a valanga (ABD – precedentemente noti come diodi a valanga di silicio o SAD) e tubi a scarica di gas (GDT). I MOV sono la tecnologia più comunemente utilizzata per la protezione dei circuiti di alimentazione CA. La sovracorrente nominale di un MOV è correlata all'area della sezione trasversale e alla sua composizione. In generale, maggiore è l'area della sezione trasversale, maggiore è la sovracorrente nominale del dispositivo. I MOV sono generalmente di geometria rotonda o rettangolare, ma sono disponibili in una pletora di dimensioni standard che vanno da 7 mm (0.28 pollici) a 80 mm (3.15 pollici). I valori nominali della corrente di picco di questi componenti di protezione dalle sovratensioni variano ampiamente e dipendono dal produttore. Come discusso in precedenza in questo paragrafo, collegando i MOV in un array parallelo, è possibile calcolare un valore di corrente di picco semplicemente sommando i valori di corrente di picco dei singoli MOV insieme per ottenere il valore di corrente di picco dell'array. Nel fare ciò, si dovrebbe prendere in considerazione il coordinamento delle caratteristiche operative dei MOV selezionati.

Ci sono molte ipotesi su quale componente, quale topologia e l'implementazione di una tecnologia specifica produce il miglior SPD per deviare la corrente di picco. Invece di presentare tutte le opzioni, è meglio che la discussione sulla valutazione della corrente di picco, la valutazione della corrente di scarica nominale o le capacità della corrente di picco ruotino attorno ai dati dei test delle prestazioni. Indipendentemente dai componenti utilizzati nella progettazione o dalla specifica struttura meccanica impiegata, ciò che conta è che l'SPD abbia una corrente nominale di picco o corrente nominale di scarica adatta all'applicazione.

Segue una descrizione più ampia di questi componenti. I componenti utilizzati negli SPD variano notevolmente. Ecco un esempio di questi componenti:

• Varistore ad ossido di metallo (MOV)

Tipicamente, i MOV sono costituiti da un corpo di forma rotonda o rettangolare di ossido di zinco sinterizzato con opportuni additivi. Altri tipi in uso includono forme tubolari e strutture multistrato. I varistori hanno elettrodi a particelle metalliche costituiti da una lega d'argento o altro metallo. Gli elettrodi possono essere stati applicati al corpo mediante vagliatura e sinterizzazione o mediante altri processi a seconda del metallo utilizzato. I varistori hanno spesso anche fili o cavi a linguetta o qualche altro tipo di terminazione che potrebbe essere stato saldato all'elettrodo.

Il meccanismo di conduzione di base dei MOV deriva dalle giunzioni dei semiconduttori al confine dei grani di ossido di zinco formati durante un processo di sinterizzazione. Il varistore può essere considerato un dispositivo multi-giunzione con molti grani che agiscono in combinazione serie-parallelo tra i terminali. Una vista schematica in sezione trasversale di un tipico varistore è mostrata nella Figura 1.

I varistori hanno la proprietà di mantenere una variazione di tensione relativamente piccola attraverso i loro terminali mentre la corrente di picco che li attraversa varia per diversi decenni di grandezza. Questa azione non lineare consente loro di deviare la corrente di un picco quando collegati in shunt attraverso la linea e limitare la tensione attraverso la linea a valori che proteggono l'apparecchiatura collegata a quella linea.

• Diodo anti valanga (ADB)

Questi dispositivi sono anche noti come diodo a valanga di silicio (SAD) o soppressore di tensione transitoria (TVS). Il diodo di rottura della giunzione PN, nella sua forma base, è una singola giunzione PN costituita da un anodo (P) e un catodo (N). Vedere la Figura 2a. Nelle applicazioni del circuito CC, il protettore è polarizzato inversamente in modo tale che un potenziale positivo venga applicato al lato del catodo (N) del dispositivo. Vedere la Figura 2b.

Il diodo a valanga ha tre regioni operative, 1) polarizzazione diretta (bassa impedenza), 2) stato spento (alta impedenza) e 3) ripartizione della polarizzazione inversa (impedenza relativamente bassa). Queste regioni possono essere viste nella Figura 3. Nella modalità di polarizzazione diretta con una tensione positiva sulla regione P, il diodo ha un'impedenza molto bassa una volta che la tensione supera la tensione del diodo di polarizzazione diretta, VFS. VFS è generalmente inferiore a 1 V ed è definito di seguito. Lo stato off si estende da 0 V appena al di sotto di un VBR positivo sulla regione N. In questa regione, le uniche correnti che fluiscono sono correnti di dispersione dipendenti dalla temperatura e correnti di tunneling Zener per diodi a bassa tensione di rottura. La regione di ripartizione della polarizzazione inversa inizia con un VBR positivo sulla regione N. Al VBR gli elettroni che attraversano la giunzione sono accelerati abbastanza dall'alto campo nella regione di giunzione che le collisioni di elettroni provocano la creazione di una cascata, o valanga, di elettroni e lacune. Il risultato è un forte calo della resistenza del diodo. Entrambe le regioni di ripartizione della polarizzazione diretta e della polarizzazione inversa possono essere utilizzate per la protezione.

Le caratteristiche elettriche di un diodo a valanga sono intrinsecamente asimmetriche. Vengono inoltre realizzati prodotti simmetrici di protezione a diodi da valanga costituiti da giunzioni back to back.

• Tubo a scarica di gas (GDT)

I tubi a scarica di gas sono costituiti da due o più elettrodi metallici separati da un piccolo spazio e tenuti da un cilindro di ceramica o di vetro. Il cilindro è riempito con una miscela di gas nobile, che genera una scarica a bagliore e infine una condizione di arco quando viene applicata una tensione sufficiente agli elettrodi.

Quando una tensione che sale lentamente attraverso il traferro raggiunge un valore determinato principalmente dalla distanza tra gli elettrodi, dalla pressione del gas e dalla miscela di gas, il processo di accensione inizia alla tensione di accensione (guasto). Una volta che si verifica la scintilla, sono possibili vari stati operativi, a seconda del circuito esterno. Questi stati sono mostrati nella Figura 4. A correnti inferiori alla corrente di transizione bagliore-arco, esiste una regione di bagliore. A basse correnti nella regione del bagliore, la tensione è quasi costante; a correnti di incandescenza elevate, alcuni tipi di tubi del gas possono entrare in una regione di incandescenza anormale in cui la tensione aumenta. Al di là di questa regione di bagliore anormale, l'impedenza del tubo di scarica del gas diminuisce nella regione di transizione nella condizione di arco a bassa tensione. La corrente di transizione da arco a bagliore può essere inferiore alla transizione da bagliore ad arco. La caratteristica elettrica del GDT, unitamente alla circuiteria esterna, determina la capacità del GDT di estinguersi dopo il passaggio di una sovratensione, e determina anche l'energia dissipata nello scaricatore durante la sovratensione.

Se la tensione applicata (es. transitorio) aumenta rapidamente, il tempo impiegato per il processo di ionizzazione/formazione dell'arco può consentire alla tensione transitoria di superare il valore richiesto per la rottura nel paragrafo precedente. Questa tensione è definita come tensione di rottura dell'impulso ed è generalmente una funzione positiva della velocità di salita della tensione applicata (transitoria).

Un GDT a tre elettrodi a camera singola ha due cavità separate da un elettrodo ad anello centrale. Il foro nell'elettrodo centrale consente al plasma di gas proveniente da una cavità conduttiva di avviare la conduzione nell'altra cavità, anche se la tensione dell'altra cavità può essere inferiore alla tensione di accensione.

A causa della loro azione di commutazione e della struttura robusta, i GDT possono superare altri componenti SPD nella capacità di trasporto di corrente. Molti GDT per telecomunicazioni possono facilmente trasportare correnti di picco fino a 10 kA (forma d'onda 8/20 µs). Inoltre, a seconda del design e delle dimensioni del GDT, è possibile ottenere correnti di picco >100 kA.

La costruzione dei tubi a scarica di gas è tale da avere una capacità molto bassa, generalmente inferiore a 2 pF. Ciò consente il loro utilizzo in molte applicazioni di circuiti ad alta frequenza.

Quando i GDT funzionano, possono generare radiazioni ad alta frequenza, che possono influenzare l'elettronica sensibile. È quindi opportuno posizionare i circuiti GDT a una certa distanza dall'elettronica. La distanza dipende dalla sensibilità dell'elettronica e dalla schermatura dell'elettronica. Un altro metodo per evitare l'effetto è posizionare il GDT in un involucro schermato.

Definizioni per GDT

Uno spazio vuoto, o più spazi vuoti con due o tre elettrodi metallici sigillati ermeticamente in modo che la miscela di gas e la pressione siano sotto controllo, progettati per proteggere apparecchiature o personale, o entrambi, da elevate tensioni transitorie.

Or

Uno spazio vuoto o spazi vuoti in un mezzo di scarica chiuso, diverso dall'aria a pressione atmosferica, progettato per proteggere l'apparato o il personale, o entrambi, da alte tensioni transitorie.

• Filtri LCR

Questi componenti variano nel loro:

• capacità energetica
• disponibilità
• problemi di
• costo
• efficacia

Da IEEE Std C62.72: La capacità di un SPD di limitare le sovratensioni sulla rete di distribuzione elettrica deviando le sovracorrenti è funzione dei componenti di protezione dalle sovratensioni, della struttura meccanica dell'SPD e della connessione alla rete di distribuzione elettrica. Alcuni componenti di protezione contro le sovratensioni comuni utilizzati nella produzione di SPD sono MOV, SASD e tubi a scarica di gas, con i MOV che hanno il maggiore utilizzo. La sovracorrente nominale di un MOV è correlata all'area della sezione trasversale e alla sua composizione. In generale, maggiore è l'area della sezione trasversale, maggiore è la sovracorrente nominale del dispositivo. I MOV sono generalmente di geometria rotonda o rettangolare, ma sono disponibili in una pletora di dimensioni standard che vanno da 7 mm (0.28 pollici) a 80 mm (3.15 pollici). I valori nominali della corrente di picco di questi componenti di protezione da sovratensione variano ampiamente e dipendono dal produttore. Collegando i MOV in un array parallelo, è possibile calcolare una corrente nominale di picco teorica semplicemente sommando i valori nominali di corrente dei singoli MOV per ottenere la corrente nominale di picco dell'array.

Ci sono molte ipotesi su quale componente, quale topologia e l'implementazione di una tecnologia specifica produce il miglior SPD per deviare la corrente di picco. Invece di presentare tutti questi argomenti e lasciare che il lettore li decifra, è meglio che la discussione sulla valutazione della corrente di picco, la valutazione della corrente di scarica nominale o le capacità della corrente di picco ruotino attorno ai dati dei test delle prestazioni. Indipendentemente dai componenti utilizzati nella progettazione o dalla specifica struttura meccanica impiegata, ciò che conta è che l'SPD abbia una corrente nominale di picco o una corrente nominale di scarica adatta all'applicazione e, probabilmente la cosa più importante, che l'SPD limiti il ​​transitorio sovratensioni a livelli tali da prevenire danni alle apparecchiature da proteggere date le sovratensioni ambientali previste.

Modalità operative di base

La maggior parte degli SPD ha tre modalità operative di base:

• In attesa di
• Deviare

In ogni modalità, la corrente scorre attraverso l'SPD. Ciò che potrebbe non essere compreso, tuttavia, è che può esistere un diverso tipo di corrente in ciascuna modalità.

La modalità di attesa

In normali situazioni di alimentazione, quando viene fornita "alimentazione pulita" all'interno di un sistema di distribuzione elettrica, l'SPD svolge una funzione minima. In modalità di attesa, l'SPD è in attesa che si verifichi una sovratensione e consuma poca o nessuna corrente alternata; principalmente quello utilizzato dai circuiti di monitoraggio.

La modalità di deviazione

Al rilevamento di un evento di sovratensione transitoria, l'SPD passa alla modalità Deviazione. Lo scopo di un SPD è deviare la corrente impulsiva dannosa lontano dai carichi critici, riducendo contemporaneamente l'ampiezza della tensione risultante a un livello basso e innocuo.

Come definito da ANSI/IEEE C62.41.1-2002, un tipico transitorio di corrente dura solo una frazione di ciclo (microsecondi), un frammento di tempo se confrontato con il flusso continuo di un segnale sinusoidale a 60Hz.

L'entità della corrente di picco dipende dalla sua fonte. I fulmini, ad esempio, che in rari casi possono contenere correnti di magnitudo superiori a diverse centinaia di migliaia di ampere. All'interno di una struttura, tuttavia, eventi transitori generati internamente produrranno magnitudini di corrente inferiori (meno di poche migliaia o centinaia di ampere).

Poiché la maggior parte degli SPD è progettata per gestire grandi picchi di corrente, un punto di riferimento delle prestazioni è il valore nominale della corrente di scarica nominale (In) del prodotto. Spesso confusa con la corrente di guasto, ma non correlata, questa grande ampiezza di corrente è un'indicazione della capacità di resistenza ripetuta del prodotto testata.

Da IEEE Std. C62.72: Il valore nominale della corrente di scarica esercita la capacità di un SPD di essere soggetto a picchi di corrente ripetitivi (15 picchi totali) di un valore selezionato senza danni, degrado o modifica delle prestazioni della tensione limite misurata di un SPD. Il test della corrente di scarica nominale include l'intero SPD, compresi tutti i componenti di protezione contro le sovratensioni e i sezionatori SPD interni o esterni. Durante il test, nessun componente o sezionatore può guastarsi, aprire il circuito, danneggiarsi o degradarsi. Per ottenere una determinata valutazione, il livello di prestazione della tensione limite misurata dell'SPD deve essere mantenuto tra il confronto pre-test e post-test. Lo scopo di questi test è dimostrare la capacità e le prestazioni di un SPD in risposta a sovratensioni che in alcuni casi sono gravi ma potrebbero essere previste presso l'attrezzatura di servizio, all'interno di una struttura o nel luogo di installazione.

Ad esempio, un SPD con una capacità di corrente di scarica nominale di 10,000 o 20,000 ampere per modalità significa che il prodotto dovrebbe essere in grado di sopportare in sicurezza un'ampiezza di corrente transitoria di 10,000 o 20,000 ampere per almeno 15 volte, in ciascuna delle modalità di protezione.

Scenari di fine vita

Da IEEE Std C62.72: La più grande minaccia all'affidabilità a lungo termine degli SPD potrebbero non essere i picchi, ma le ripetute sovratensioni momentanee o temporanee (TOV o "swell") che possono verificarsi sul PDS. Gli SPD con un MCOV - che sono precariamente vicini alla tensione nominale del sistema sono più suscettibili a tali sovratensioni che possono portare all'invecchiamento prematuro dell'SPD o alla fine del ciclo di vita prematura. Una regola empirica spesso utilizzata è determinare se l'MCOV dell'SPD è almeno il 115% della tensione nominale del sistema per ciascuna modalità di protezione specifica. Ciò consentirà all'SPD di non essere influenzato dalle normali variazioni di tensione del PDS.

Tuttavia, a parte gli eventi di sovratensione prolungati, gli SPD possono invecchiare, degradare o raggiungere la loro condizione di fine servizio nel tempo a causa di picchi che superano i valori nominali degli SPD per corrente di picco, tasso di occorrenza di eventi di picco, durata del picco , o la combinazione di questi eventi. Eventi di sovratensione ripetitivi di ampiezza significativa per un periodo di tempo possono surriscaldare i componenti dell'SPD e causare l'invecchiamento dei componenti di protezione contro le sovratensioni. Inoltre, le sovratensioni ripetitive possono causare il funzionamento prematuro dei sezionatori SPD attivati ​​termicamente a causa del riscaldamento dei componenti di protezione contro le sovratensioni. Le caratteristiche di un SPD possono cambiare quando raggiunge la sua condizione di fine servizio: ad esempio, le tensioni limite misurate possono aumentare o diminuire.

Nel tentativo di evitare il degrado dovuto ai picchi, molti produttori di SPD progettano SPD con elevate capacità di corrente di picco utilizzando componenti fisicamente più grandi o collegando più componenti in parallelo. Questo viene fatto per evitare la probabilità che i rating dell'SPD come assemblea vengano superati, tranne in casi molto rari ed eccezionali. Il successo di questo metodo è supportato dalla lunga durata e dalla storia degli SPD esistenti installati che sono stati progettati in questo modo.

Per quanto riguarda il coordinamento degli SPD e, come affermato per quanto riguarda le sovracorrenti nominali, è logico disporre di un SPD con sovracorrenti nominali più elevate collocato presso l'apparecchiatura di servizio in cui il PDS è maggiormente esposto alle sovratensioni per aiutare nella prevenzione dell'invecchiamento precoce; nel frattempo, gli SPD più a valle delle apparecchiature di servizio che non sono esposti a fonti esterne di sovratensioni potrebbero avere valutazioni inferiori. Con una buona progettazione e coordinamento del sistema di protezione contro le sovratensioni, è possibile evitare l'invecchiamento prematuro dell'SPD.

Altre cause di fallimento SPD includono:

• Errori di installazione
• Applicazione errata di un prodotto per la sua tensione nominale
• Eventi di sovratensione prolungati

Quando un componente di soppressione si guasta, molto spesso lo fa come un cortocircuito, causando l'inizio del flusso di corrente attraverso il componente guasto. La quantità di corrente disponibile per fluire attraverso questo componente guasto è una funzione della corrente di guasto disponibile ed è guidata dal sistema di alimentazione. Per ulteriori informazioni sulle correnti di guasto, consultare le informazioni relative alla sicurezza dell'SPD.