Como funciona o dispositivo de proteção contra surtos (SPD)

Como funciona o dispositivo de proteção contra surtos (SPD)

A capacidade de um SPD de limitar as sobretensões na rede de distribuição elétrica, desviando as correntes de surto, é uma função dos componentes de proteção contra surtos, da estrutura mecânica do SPD e da conexão à rede de distribuição elétrica. Um SPD tem como objetivo limitar as sobretensões transitórias e desviar a corrente de surto, ou ambos. Ele contém pelo menos um componente não linear. Em termos mais simples, os SPDs destinam-se a limitar as sobretensões transitórias com o objetivo de evitar danos ao equipamento e tempo de inatividade devido a picos de tensão transitórios que atingem os dispositivos que protegem.

Por exemplo, considere um moinho de água protegido por uma válvula de alívio de pressão. A válvula de alívio de pressão não faz nada até que ocorra um pulso de sobrepressão no abastecimento de água. Quando isso acontece, a válvula abre e desvia a pressão extra para o lado, de modo que ela não alcance a roda d'água.

Se a válvula de alívio não estiver presente, a pressão excessiva pode danificar a roda d'água ou talvez a articulação da serra. Mesmo que a válvula de alívio esteja no lugar e funcionando corretamente, algum resto do pulso de pressão ainda alcançará a roda. Mas a pressão terá sido reduzida o suficiente para não danificar a roda d'água ou interromper seu funcionamento. Isso descreve a ação dos SPDs. Eles reduzem os transientes a níveis que não danificarão ou interromperão a operação de equipamentos eletrônicos sensíveis.

Tecnologias utilizadas

Quais tecnologias são usadas em SPDs?

De IEEE Std. C62.72: Alguns componentes de proteção contra sobretensão comuns usados ​​na fabricação de SPDs são varistores de óxido de metal (MOVs), diodos de degradação de avalanche (ABDs - anteriormente conhecidos como diodos de avalanche de silício ou SADs) e tubos de descarga de gás (GDTs). MOVs são a tecnologia mais comumente usada para a proteção de circuitos de energia CA. A classificação da corrente de surto de um MOV está relacionada à área da seção transversal e sua composição. Em geral, quanto maior for a área da seção transversal, maior será a classificação da corrente de surto do dispositivo. Os MOVs geralmente são de geometria redonda ou retangular, mas vêm em uma infinidade de dimensões padrão que variam de 7 mm (0.28 pol.) A 80 mm (3.15 pol.). As classificações de corrente de surto desses componentes de proteção contra surto variam amplamente e dependem do fabricante. Conforme discutido anteriormente nesta cláusula, conectando os MOVs em uma matriz paralela, um valor de corrente de surto pode ser calculado simplesmente adicionando as classificações de corrente de surto dos MOVs individuais juntos para obter a classificação de corrente de surto da matriz. Ao fazer isso, deve-se levar em consideração a coordenação das características operacionais dos MOVs selecionados.

Existem muitas hipóteses sobre qual componente, qual topologia e a implantação de tecnologia específica produz o melhor SPD para desviar a corrente de surto. Em vez de apresentar todas as opções, é melhor que a discussão da classificação da corrente de pico, Classificação da corrente de descarga nominal ou recursos de corrente de pico gire em torno dos dados de teste de desempenho. Independentemente dos componentes usados ​​no projeto ou da estrutura mecânica específica implantada, o que importa é que o SPD tenha uma classificação de corrente de surto ou classificação de corrente de descarga nominal adequada para a aplicação.

Segue uma descrição mais extensa desses componentes. Os componentes usados ​​em SPDs variam consideravelmente. Aqui está uma amostra desses componentes:

• Varistor de óxido de metal (MOV)

Normalmente, os MOVs consistem em um corpo redondo ou retangular de óxido de zinco sinterizado com aditivos adequados. Outros tipos em uso incluem formas tubulares e estruturas multicamadas. Os varistores possuem eletrodos de partículas de metal que consistem em uma liga de prata ou outro metal. Os eletrodos podem ter sido aplicados ao corpo por triagem e sinterização ou por outros processos, dependendo do metal utilizado. Os varistores também costumam ter fios ou cabos guia ou algum outro tipo de terminação que pode ter sido soldada ao eletrodo.

O mecanismo básico de condução dos MOVs resulta das junções semicondutoras nos limites dos grãos de óxido de zinco formados durante um processo de sinterização. O varistor pode ser considerado um dispositivo de multi-junção com muitos grãos atuando em combinação série-paralela entre os terminais. Uma vista esquemática em corte transversal de um varistor típico é mostrada na Figura 1.

Os varistores têm a propriedade de manter uma mudança de tensão relativamente pequena em seus terminais, enquanto a corrente de surto que flui por eles varia ao longo de várias décadas de magnitude. Esta ação não linear permite que eles desviem a corrente de um surto quando conectado em shunt através da linha e limite a tensão através da linha para valores que protegem o equipamento conectado a essa linha.

• Diodo de decomposição de avalanche (ADB)

Esses dispositivos também são conhecidos como diodo de avalanche de silício (SAD) ou supressor de voltagem transiente (TVS). O diodo de ruptura da junção PN, em sua forma básica, é uma única junção PN que consiste em um ânodo (P) e um cátodo (N). Veja a Figura 2a. Em aplicações de circuito DC, o protetor é polarizado reversamente de modo que um potencial positivo seja aplicado ao lado do cátodo (N) do dispositivo. Veja a Figura 2b.

O diodo de avalanche tem três regiões de operação, 1) polarização direta (baixa impedância), 2) estado desligado (alta impedância) e 3) ruptura da polarização reversa (impedância relativamente baixa). Essas regiões podem ser vistas na Figura 3. No modo de polarização direta com uma tensão positiva na região P, o diodo tem impedância muito baixa, uma vez que a tensão excede a tensão do diodo de polarização direta, VFS. VFS é geralmente menor que 1 V e é definido abaixo. O estado desligado se estende de 0 V até um pouco abaixo de um VBR positivo na região N. Nesta região, as únicas correntes que fluem são as correntes de fuga dependentes da temperatura e as correntes de túnel Zener para diodos de baixa tensão de ruptura. A região de quebra de polarização reversa começa com um VBR positivo na região N. No VBR, os elétrons que cruzam a junção são acelerados o suficiente pelo alto campo na região da junção para que as colisões de elétrons resultem em uma cascata, ou avalanche, de elétrons e lacunas sendo criadas. O resultado é uma queda acentuada na resistência do diodo. Ambas as regiões de polarização direta e reversa podem ser usadas para proteção.

As características elétricas de um diodo de avalanche são intrinsecamente assimétricas. Também são fabricados produtos de proteção de diodo de avalanche simétrica que consistem em junções back to back.

• Tubo de descarga de gás (GDT)

Tubos de descarga de gás consistem em dois ou mais eletrodos de metal separados por uma pequena lacuna e mantidos por um cilindro de cerâmica ou vidro. O cilindro é preenchido com uma mistura de gás nobre, que se transforma em uma descarga luminescente e, finalmente, em uma condição de arco quando voltagem suficiente é aplicada aos eletrodos.

Quando uma tensão que aumenta lentamente através da lacuna atinge um valor determinado principalmente pelo espaçamento do eletrodo, pressão do gás e mistura de gás, o processo de ativação é iniciado na tensão de centelhamento (quebra). Uma vez que ocorre a ignição, vários estados operacionais são possíveis, dependendo do circuito externo. Esses estados são mostrados na Figura 4. Em correntes menores do que a corrente de transição de brilho para arco, existe uma região de brilho. Em baixas correntes na região de brilho, a voltagem é quase constante; em altas correntes de brilho, alguns tipos de tubos de gás podem entrar em uma região de brilho anormal na qual a voltagem aumenta. Além dessa região de brilho anormal, a impedância do tubo de descarga de gás diminui na região de transição para a condição de arco de baixa tensão. A corrente de transição arco-brilho pode ser menor do que a transição brilho-arco. A característica elétrica do GDT, em conjunto com o circuito externo, determina a capacidade do GDT de se extinguir após a passagem de um surto e também determina a energia dissipada no pára-raios durante o surto.

Se a tensão aplicada (por exemplo, transiente) aumentar rapidamente, o tempo necessário para o processo de ionização / formação de arco pode permitir que a tensão transiente exceda o valor necessário para a quebra no parágrafo anterior. Essa tensão é definida como a tensão de ruptura de impulso e geralmente é uma função positiva da taxa de aumento da tensão aplicada (transiente).

Um GDT de três eletrodos de câmara única tem duas cavidades separadas por um eletrodo de anel central. O orifício no eletrodo central permite que o plasma de gás de uma cavidade condutora inicie a condução na outra cavidade, mesmo que a outra voltagem da cavidade possa estar abaixo da voltagem de ignição.

Por causa de sua ação de chaveamento e construção robusta, os GDTs podem exceder outros componentes SPD em capacidade de transporte de corrente. Muitos GDTs de telecomunicações podem transportar facilmente correntes de surto de até 10 kA (forma de onda de 8/20 µs). Além disso, dependendo do projeto e do tamanho do GDT, correntes de surto de> 100 kA podem ser alcançadas.

A construção dos tubos de descarga de gás é tal que eles têm capacitância muito baixa - geralmente menos de 2 pF. Isso permite seu uso em muitas aplicações de circuito de alta frequência.

Quando os GDTs operam, eles podem gerar radiação de alta frequência, que pode influenciar componentes eletrônicos sensíveis. Portanto, é aconselhável colocar os circuitos GDT a uma certa distância dos componentes eletrônicos. A distância depende da sensibilidade dos componentes eletrônicos e de quão bem os componentes eletrônicos estão protegidos. Outro método para evitar o efeito é colocar o GDT em um gabinete blindado.

Definições para GDT

Uma lacuna, ou várias lacunas com dois ou três eletrodos de metal hermeticamente selados de modo que a mistura de gás e a pressão estejam sob controle, projetada para proteger o aparelho ou o pessoal, ou ambos, de altas tensões transitórias.

Or

Uma lacuna ou lacunas em um meio de descarga fechado, diferente do ar à pressão atmosférica, projetado para proteger o equipamento ou o pessoal, ou ambos, de altas tensões transitórias.

• Filtros LCR

Esses componentes variam em:

• capacidade de energia
• disponibilidade
• confiabilidade
• custo
• eficácia

Do IEEE Std C62.72: A capacidade de um SPD de limitar as sobretensões na rede de distribuição elétrica, desviando as correntes de surto, é uma função dos componentes de proteção contra surtos, da estrutura mecânica do SPD e da conexão à rede de distribuição elétrica. Alguns componentes de proteção contra surtos comuns usados ​​na fabricação de SPDs são MOVs, SASDs e tubos de descarga de gás, com MOVs tendo o maior uso. A classificação da corrente de surto de um MOV está relacionada à área da seção transversal e sua composição. Em geral, quanto maior for a área da seção transversal, maior será a classificação da corrente de surto do dispositivo. Os MOVs geralmente são de geometria redonda ou retangular, mas vêm em uma infinidade de dimensões padrão que variam de 7 mm (0.28 pol.) A 80 mm (3.15 pol.). As classificações de corrente de surto desses componentes de proteção contra surto variam amplamente e dependem do fabricante. Ao conectar os MOVs em uma matriz paralela, uma classificação de corrente de surto teórica poderia ser calculada simplesmente adicionando as classificações de corrente dos MOVs individuais juntos para obter a classificação de corrente de surto da matriz.

Existem muitas hipóteses sobre qual componente, qual topologia e a implantação de tecnologia específica produz o melhor SPD para desviar a corrente de surto. Em vez de apresentar todos esses argumentos e deixar o leitor decifrar esses tópicos, é melhor que a discussão da classificação da corrente de pico, Classificação da corrente de descarga nominal ou recursos de corrente de pico gire em torno dos dados de teste de desempenho. Independentemente dos componentes usados ​​no projeto, ou da estrutura mecânica específica implantada, o que importa é que o SPD tenha uma classificação de corrente de surto ou classificação de corrente de descarga nominal adequada para a aplicação e, provavelmente o mais importante, que o SPD limita o transiente sobretensões em níveis que evitam danos ao equipamento que está sendo protegido devido ao ambiente de pico esperado.

Modos Operacionais Básicos

A maioria dos SPDs tem três modos operacionais básicos:

• Aguardando
• Desviar

Em cada modo, a corrente flui pelo SPD. O que pode não ser entendido, entretanto, é que um tipo diferente de corrente pode existir em cada modo.

O modo de espera

Em situações normais de energia, quando a “energia limpa” é fornecida dentro de um sistema de distribuição elétrica, o SPD executa uma função mínima. No modo de espera, o SPD está aguardando a ocorrência de uma sobretensão e está consumindo pouca ou nenhuma energia CA; principalmente aquele usado pelos circuitos de monitoramento.

O modo de desvio

Ao detectar um evento de sobretensão transiente, o SPD muda para o modo de desvio. O objetivo de um SPD é desviar a corrente de impulso prejudicial para longe das cargas críticas, ao mesmo tempo que reduz a magnitude da tensão resultante a um nível baixo e inofensivo.

Conforme definido pelo ANSI / IEEE C62.41.1-2002, um transiente de corrente típico dura apenas uma fração de um ciclo (microssegundos), um fragmento de tempo quando comparado com o fluxo contínuo de um sinal senoidal de 60 Hz.

A magnitude da corrente de surto depende de sua fonte. Quedas de raios, por exemplo, que podem, em raras ocorrências, conter magnitudes de corrente que excedem várias centenas de milhares de amperes. Dentro de uma instalação, entretanto, eventos transientes gerados internamente produzirão magnitudes de corrente mais baixas (menos do que alguns milhares ou centenas de amperes).

Uma vez que a maioria dos SPDs são projetados para lidar com grandes correntes de surto, uma referência de desempenho é a classificação de corrente de descarga nominal (In) testada do produto. Freqüentemente confundida com corrente de falha, mas não relacionada, esta grande magnitude de corrente é uma indicação da capacidade de resistência repetida testada do produto.

De IEEE Std. C62.72: A Classificação da Corrente de Descarga Nominal exerce a capacidade de um SPD de ser submetido a surtos de corrente repetitivos (15 surtos no total) de um valor selecionado sem dano, degradação ou mudança no desempenho de tensão de limitação medido de um SPD. O teste de corrente de descarga nominal inclui todo o SPD, incluindo todos os componentes de proteção contra surtos e desconectores SPD internos ou externos. Durante o teste, nenhum componente ou chave seccionadora pode falhar, abrir o circuito, ser danificado ou degradar. Para atingir uma determinada classificação, o nível de desempenho de tensão limite medido do SPD deve ser mantido entre a comparação pré-teste e pós-teste. O objetivo desses testes é demonstrar a capacidade e o desempenho de um SPD em resposta a picos que, em alguns casos, são graves, mas podem ser esperados no equipamento de serviço, dentro de uma instalação ou no local de instalação.

Por exemplo, um SPD com uma capacidade de corrente de descarga nominal de 10,000 ou 20,000 amperes por modo significa que o produto deve ser capaz de suportar com segurança uma magnitude de corrente transitória de 10,000 ou 20,000 amperes no mínimo 15 vezes, em cada um dos modos de proteção.

Cenários de fim de vida

Do IEEE Std C62.72: A maior ameaça à confiabilidade de longo prazo dos SPDs pode não ser os surtos, mas as sobretensões momentâneas ou temporárias repetidas (TOVs ou “aumentos”) que podem ocorrer no PDS. SPDs com um MCOV - que estão precariamente próximos da tensão nominal do sistema são mais suscetíveis a tais sobretensões que podem levar ao envelhecimento prematuro do SPD ou ao fim prematuro da vida útil. Uma regra prática frequentemente usada é determinar se o MCOV do SPD é de pelo menos 115% da tensão nominal do sistema para cada modo específico de proteção. Isso permitirá que o SPD não seja afetado pelas variações normais de tensão do PDS.

No entanto, além de eventos de sobretensão sustentados, os SPDs podem envelhecer ou degradar ou atingir sua condição de fim de serviço ao longo do tempo devido a surtos que excedem as classificações de SPDs para corrente de surto, a taxa de ocorrência de eventos de surto, duração do surto , ou a combinação desses eventos. Eventos repetitivos de surto de amplitude significativa durante um período de tempo podem superaquecer os componentes do SPD e fazer com que os componentes de proteção contra surto envelheçam. Além disso, surtos repetitivos podem fazer com que os seccionadores SPD que são termicamente ativados operem prematuramente devido ao aquecimento dos componentes de proteção contra surtos. As características de um SPD podem mudar à medida que atinge sua condição de fim de serviço - por exemplo, as tensões limite medidas podem aumentar ou diminuir.

Em um esforço para evitar a degradação devido a surtos, muitos fabricantes de SPDs projetam SPDs com alta capacidade de corrente de surto, usando componentes fisicamente maiores ou conectando vários componentes em paralelo. Isso é feito para evitar a probabilidade de que as classificações do SPD como um conjunto sejam excedidas, exceto em casos muito raros e excepcionais. O sucesso desse método é suportado pela longa vida útil e pela história dos SPDs existentes instalados que foram projetados dessa maneira.

No que diz respeito à coordenação do SPD e, conforme declarado no que diz respeito às classificações de corrente de surto, é lógico ter um SPD com classificações de corrente de surto mais altas localizado no equipamento de serviço onde o PDS está mais exposto a surtos para auxiliar na prevenção do envelhecimento prematuro; enquanto isso, os SPDs mais distantes do equipamento de serviço que não estão expostos a fontes externas de surtos podem ter classificações menores. Com um bom design e coordenação do sistema de proteção contra sobretensão, o envelhecimento prematuro do SPD pode ser evitado.

Outras causas de falha do SPD incluem:

• Erros de instalação
• Aplicação incorreta de um produto para sua classificação de tensão
• Eventos de sobretensão sustentados

Quando um componente de supressão falha, na maioria das vezes ocorre como um curto, fazendo com que a corrente comece a fluir através do componente com falha. A quantidade de corrente disponível para fluir por meio desse componente com falha é uma função da corrente de falha disponível e é acionada pelo sistema de energia. Para obter mais informações sobre correntes de falha, vá para Informações relacionadas à segurança do SPD.