Dispositivos de proteção contra surtos são usados ​​para redes de fornecimento de energia elétrica, redes telefônicas e barramentos de comunicação e controle automático.

2.4 O Dispositivo de Proteção contra Surtos (SPD)

O Surge Protection Device (SPD) é um componente do sistema de proteção da instalação elétrica.

Este dispositivo é conectado em paralelo no circuito de alimentação das cargas que ele deve proteger (ver Fig. J17). Ele também pode ser usado em todos os níveis da rede de alimentação.

Este é o tipo de proteção contra sobretensão mais comumente usado e mais eficiente.

Princípio

O SPD é projetado para limitar as sobretensões transitórias de origem atmosférica e desviar as ondas de corrente para a terra, de modo a limitar a amplitude desta sobretensão a um valor que não seja perigoso para a instalação elétrica e quadro elétrico e reator.

SPD elimina sobretensões:

• em modo comum, entre fase e neutro ou terra;
• no modo diferencial, entre fase e neutro. No caso de uma sobretensão excedendo o limite operacional, o SPD
• conduz a energia para a terra, em modo comum;
• distribui a energia para os demais condutores vivos, em modo diferencial.

Os três tipos de SPD:

• Digite 1 SPD

O SPD Tipo 1 é recomendado no caso específico de edifícios do setor de serviços e industriais, protegidos por um sistema de proteção contra raios ou uma gaiola gradeada. Ele protege as instalações elétricas contra descargas atmosféricas diretas. Ele pode descarregar a corrente de retorno do raio se espalhando do condutor de aterramento para os condutores da rede.

O SPD tipo 1 é caracterizado por uma onda de corrente de 10/350 μs.

• Digite 2 SPD

O SPD Tipo 2 é o principal sistema de proteção para todas as instalações elétricas de baixa tensão. Instalado em cada quadro elétrico, evita a propagação de sobretensões nas instalações elétricas e protege as cargas.

O SPD tipo 2 é caracterizado por uma onda de corrente de 8/20 μs.

• Digite 3 SPD

Esses SPDs têm uma baixa capacidade de descarga. Eles devem, portanto, ser obrigatoriamente instalados como um complemento ao SPD Tipo 2 e nas proximidades de cargas sensíveis. O SPD tipo 3 é caracterizado por uma combinação de ondas de tensão (1.2 / 50 μs) e ondas de corrente (8/20 μs).

Definição normativa SPD

2.4.1 Características do SPD

A norma internacional IEC 61643-11 Edição 1.0 (03/2011) define as características e os testes para SPD conectado a sistemas de distribuição de baixa tensão (consulte a Fig. J19).

• Características comuns

- VOCÊ_c: Tensão máxima de operação contínua

Esta é a tensão CA ou CC acima da qual o SPD se torna ativo. Este valor é escolhido de acordo com a tensão nominal e o sistema de aterramento do sistema.

- VOCÊ_p: Nível de proteção de tensão (em I_n)

Esta é a tensão máxima nos terminais do SPD quando ele está ativo. Esta tensão é alcançada quando a corrente fluindo no SPD é igual a I_n. O nível de proteção de tensão escolhido deve estar abaixo da capacidade de suportar sobretensão das cargas (consulte a seção 3.2). No caso de descargas atmosféricas, a tensão entre os terminais do SPD geralmente permanece menor que U_p.

- eu_n: Corrente de descarga nominal

Este é o valor de pico de uma corrente de forma de onda de 8/20 μs que o SPD é capaz de descarregar 15 vezes.

• Digite 1 SPD

- eu_diabinho: Impulse atualmente

Este é o valor de pico de uma corrente de forma de onda de 10/350 μs que o SPD é capaz de descarregar 5 vezes.

- eu_fi: Autoextinguir seguir a corrente

Aplicável apenas à tecnologia de centelhador.

Esta é a corrente (50 Hz) que o SPD é capaz de interromper por si mesmo após o flashover. Esta corrente deve ser sempre maior do que a corrente de curto-circuito potencial no ponto de instalação.

• Digite 2 SPD

- eu_max: Corrente de descarga máxima

Este é o valor de pico de uma corrente de forma de onda de 8/20 μs que o SPD é capaz de descarregar uma vez.

• Digite 3 SPD

- VOCÊ_oc: Tensão de circuito aberto aplicada durante os testes de classe III (Tipo 3).

2.4.2 Aplicativos principais

• SPD de baixa tensão

Dispositivos muito diferentes, tanto do ponto de vista tecnológico quanto de uso, são designados por este termo. Os SPDs de baixa tensão são modulares para serem facilmente instalados dentro de quadros de distribuição de baixa tensão. Também existem SPDs adaptáveis ​​a tomadas de energia, mas esses dispositivos têm uma baixa capacidade de descarga.

• SPD para redes de comunicação

Estes dispositivos protegem as redes telefônicas, as redes comutadas e as redes de controle automático (barramento) contra as sobretensões vindas de fora (raios) e internas à rede de alimentação (equipamentos poluentes, manobra, etc.).

Esses SPDs também são instalados em conectores RJ11, RJ45, ... ou integrados em cargas.

3 Projeto do sistema de proteção da instalação elétrica

Para proteger uma instalação elétrica em um edifício, regras simples se aplicam para a escolha de

• SPD (s);
• é o sistema de proteção.

3.1 Regras de design

Para um sistema de distribuição de energia, as principais características usadas para definir o sistema de proteção contra raios e selecionar um SPD para proteger uma instalação elétrica em um edifício são:

• SPD

- a quantidade de SPD;

- tipo;

- nível de exposição para definir a corrente de descarga máxima I do SPD_max.

• O dispositivo de proteção de curto-circuito

- corrente de descarga máxima I_max;

- corrente de curto-circuito I_sc no ponto de instalação.

O diagrama lógico na Figura J20 abaixo ilustra essa regra de projeto.

As outras características para seleção de um SPD são predefinidas para uma instalação elétrica.

• número de pólos no SPD;
• nível de proteção de tensão U_p;
• tensão operacional U_c.

Esta subseção J3 descreve com mais detalhes os critérios de seleção do sistema de proteção de acordo com as características da instalação, os equipamentos a serem protegidos e o ambiente.

3.2 Elementos do sistema de proteção

Um SPD deve sempre ser instalado na origem da instalação elétrica.

3.2.1 Localização e tipo de SPD

O tipo de SPD a ser instalado na origem da instalação depende da existência ou não de um sistema de proteção contra raios. Se o edifício estiver equipado com um sistema de proteção contra raios (conforme IEC 62305), um SPD Tipo 1 deve ser instalado.

Para o SPD instalado na extremidade de entrada da instalação, os padrões de instalação IEC 60364 estabelecem valores mínimos para as 2 características a seguir:

• Corrente de descarga nominal I_n = 5 kA (8/20) µs;
• Nível de proteção de tensão U_p (em I_n) <2.5 kV.

O número de SPDs adicionais a serem instalados é determinado por:

• o tamanho do local e a dificuldade de instalação de condutores de ligação. Em sites grandes, é essencial instalar um SPD na extremidade de entrada de cada gabinete de subdistribuição.
• a distância que separa as cargas sensíveis a serem protegidas do dispositivo de proteção da extremidade de entrada. Quando as cargas estão localizadas a mais de 30 metros de distância do dispositivo de proteção final de entrada, é necessário fornecer proteção fina adicional o mais próximo possível de cargas sensíveis. Os fenômenos de reflexão das ondas estão aumentando de 10 metros (ver capítulo 6.5)
• o risco de exposição. No caso de um local muito exposto, o SPD da extremidade de entrada não pode garantir um alto fluxo de corrente elétrica e um nível de proteção de tensão suficientemente baixo. Em particular, um SPD Tipo 1 é geralmente acompanhado por um SPD Tipo 2.

A tabela da Figura J21 abaixo mostra a quantidade e o tipo de SPD a ser estabelecido com base nos dois fatores definidos acima.

3.4 Seleção de um SPD Tipo 1

3.4.1 Corrente de impulso I_diabinho

• Onde não houver regulamentos nacionais ou regulamentos específicos para o tipo de edifício a ser protegido, a corrente de impulso I_diabinho deve ser de pelo menos 12.5 kA (onda de 10/350 μs) por ramal de acordo com IEC 60364-5-534.

• Onde existem regulamentos: o padrão 62305-2 define 4 níveis: I, II, III e IV, A tabela na Figura J31 mostra os diferentes níveis de I_diabinho no caso regulatório.

3.4.2 Autoextinguir seguir a corrente I_fi

Esta característica é aplicável apenas para SPDs com tecnologia de centelhador. A extinção automática segue a corrente I_fi deve ser sempre maior do que a corrente de curto-circuito potencial I_sc no ponto de instalação.

3.5 Seleção de um SPD Tipo 2

3.5.1 Corrente de descarga máxima I_max

A corrente de descarga máxima Imax é definida de acordo com o nível de exposição estimado em relação à localização do edifício.

O valor da corrente de descarga máxima (I_max) é determinado por uma análise de risco (consulte a tabela na Figura J32).

3.6 Seleção de dispositivo de proteção de curto-circuito externo (SCPD)

Os dispositivos de proteção (térmica e curto-circuito) devem ser coordenados com o SPD para garantir uma operação confiável, ou seja,

• garantir a continuidade do serviço:

- resistir a ondas de corrente elétrica;

- não gerar uma tensão residual excessiva.

• garantir proteção eficaz contra todos os tipos de sobrecorrente:

- sobrecarga após fuga térmica do varistor;

- curto-circuito de baixa intensidade (impedante);

- curto-circuito de alta intensidade.

3.6.1 Riscos a serem evitados no final da vida útil dos SPDs

• Devido ao envelhecimento

No caso de fim natural da vida devido ao envelhecimento, a proteção é do tipo térmica. O SPD com varistores deve ter um seccionador interno que desabilite o SPD.

Observação: O fim da vida útil por meio de fuga térmica não se refere ao SPD com tubo de descarga de gás ou centelhador encapsulado.

• Devido a uma falha

As causas do fim da vida devido a uma falha de curto-circuito são:

- Capacidade máxima de descarga excedida.

Esta falha resulta em um forte curto-circuito.

- Uma falha devido ao sistema de distribuição (switchover neutro / fase, neutro

desconexão).

- Deterioração gradual do varistor.

As duas últimas falhas resultam em um curto-circuito impedante.

A instalação deve ser protegida de danos decorrentes destes tipos de avarias: o seccionador interno (térmico) definido acima não tem tempo para aquecer, portanto para funcionar.

Deve ser instalado um dispositivo especial denominado “Dispositivo de proteção de curto-circuito externo (SCPD externo)“, capaz de eliminar o curto-circuito. Pode ser implementado por um disjuntor ou dispositivo fusível.

3.6.2 Características do SCPD externo (Dispositivo de Proteção de Curto-Circuito)

O SCPD externo deve ser coordenado com o SPD. Ele foi projetado para atender às duas seguintes restrições:

Resistência à corrente elétrica

A resistência à corrente elétrica é uma característica essencial do dispositivo de proteção contra curto-circuito externo do SPD.

O SCPD externo não deve disparar em 15 correntes de impulso sucessivas em I_n.

Suporta corrente de curto-circuito

• A capacidade de quebra é determinado pelas regras de instalação (padrão IEC 60364):

O SCPD externo deve ter uma capacidade de interrupção igual ou maior que a corrente de curto-circuito Isc prospectiva no ponto de instalação (de acordo com a norma IEC 60364).

• Proteção da instalação contra curtos-circuitos

Em particular, o curto-circuito impedante dissipa muita energia e deve ser eliminado muito rapidamente para evitar danos à instalação e ao SPD.

A associação correta entre um SPD e seu SCPD externo deve ser fornecida pelo fabricante.

3.6.3 Modo de instalação para o SCPD externo

• Dispositivo “em série”

O SCPD é descrito como “em série” (ver Fig. J33) quando a proteção é realizada pelo dispositivo de proteção geral da rede a ser protegida (por exemplo, disjuntor de conexão a montante de uma instalação).

• Dispositivo “em paralelo”

O SCPD é descrito como “em paralelo” (ver Fig. J34) quando a proteção é realizada especificamente por um dispositivo de proteção associado ao SPD.

• O SCPD externo é chamado de “disjuntor de desconexão” se a função for executada por um disjuntor.
• O disjuntor de desconexão pode ou não ser integrado ao SPD.

Nota: No caso de um SPD com tubo de descarga de gás ou centelhador encapsulado, o SCPD permite que a corrente seja cortada imediatamente após o uso.

Observação: Dispositivos de corrente residual tipo S em conformidade com os padrões IEC 61008 ou IEC 61009-1 atendem a este requisito.

3.7.1 Coordenação com dispositivos de proteção a montante

Coordenação com dispositivos de proteção contra sobrecorrente

Em uma instalação elétrica, o SCPD externo é um aparelho idêntico ao aparelho de proteção: isto permite aplicar técnicas de discriminação e cascata para otimização técnica e econômica do plano de proteção.

Coordenação com dispositivos de corrente residual

Se o SPD for instalado a jusante de um dispositivo de proteção de fuga à terra, o último deve ser do tipo “si” ou seletivo com uma imunidade a correntes de pulso de pelo menos 3 kA (onda de corrente de 8/20 μs).

4 Instalação de SPDs

As conexões de um SPD às cargas devem ser as mais curtas possíveis, a fim de reduzir o valor do nível de proteção de tensão (instalado para cima) nos terminais do equipamento protegido. O comprimento total das conexões SPD à rede e ao bloco de terminais de aterramento não deve exceder 50 cm.

Conexão 4.1

Uma das características essenciais para a proteção do equipamento é o nível máximo de proteção de tensão (U instalado_p) que o equipamento pode suportar em seus terminais. Consequentemente, um SPD deve ser escolhido com um nível de proteção de tensão U_p adaptado à proteção do equipamento (ver Fig. J38). O comprimento total dos condutores de conexão é

L = L1 + L2 + L3.

Para correntes de alta frequência, a impedância por unidade de comprimento desta conexão é de aproximadamente 1 μH / m.

Portanto, aplicando a lei de Lenz a esta conexão: ∆U = L di / dt

A onda de corrente normalizada de 8/20 μs, com uma amplitude de corrente de 8 kA, cria um aumento de voltagem de 1000 V por metro de cabo.

∆U = 1 x 10^-6 x 8 x 10³ / 8x10^-6 = 1000 V

Como resultado, a tensão nos terminais do equipamento, instalados para cima, é:

U instalado_p =U_p + U1 + U2

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

4.1.1 Conexão no invólucro de plástico

A Figura J39a abaixo mostra como conectar um SPD na caixa de plástico.

4.1.2 Conexão no invólucro metálico

No caso de um conjunto de manobra em um invólucro metálico, pode ser sensato conectar o SPD diretamente ao invólucro metálico, com o invólucro sendo usado como um condutor de proteção (ver Fig. J39b).

Esta disposição está em conformidade com a norma IEC 61439-2 e o fabricante do CONJUNTO deve certificar-se de que as características do invólucro tornam este uso possível.

4.1.3 Seção transversal do condutor

A seção transversal mínima recomendada do condutor leva em consideração:

• O serviço normal a ser prestado: Fluxo da onda de corrente elétrica sob uma queda máxima de tensão (regra dos 50 cm).

Nota: Ao contrário das aplicações a 50 Hz, o fenômeno do raio sendo de alta frequência, o aumento na seção transversal do condutor não reduz muito sua impedância de alta frequência.

• Os condutores resistem a correntes de curto-circuito: O condutor deve resistir a uma corrente de curto-circuito durante o tempo máximo de corte do sistema de proteção.

A IEC 60364 recomenda na extremidade de entrada da instalação uma seção transversal mínima de:

- 4 mm² (Cu) para conexão de SPD Tipo 2;

- 16 mm² (Cu) para conexão do SPD Tipo 1 (presença de sistema de proteção contra raios).

4.2 Regras de cabeamento

• Regra 1: A primeira regra a cumprir é que o comprimento das conexões SPD entre a rede (através do SCPD externo) e o bloco de terminais de aterramento não deve exceder 50 cm.

A Figura J40 mostra as duas possibilidades de conexão de um SPD.

• Regra 2: Os condutores de alimentadores de saída protegidos:

- deve ser conectado aos terminais do SCPD externo ou do SPD;

- deve ser separado fisicamente dos condutores de entrada poluídos.

Eles estão localizados à direita dos terminais do SPD e do SCPD (consulte a Figura J41).

• Regra 3: Os condutores de fase, neutro e proteção (PE) do alimentador de entrada devem correr um ao lado do outro para reduzir a superfície do circuito (ver Fig. J42).
• Regra 4: Os condutores de entrada do SPD devem estar distantes dos condutores de saída protegidos para evitar poluí-los por acoplamento (ver Fig. J42).
• Regra 5: Os cabos devem ser fixados nas partes metálicas do gabinete (se houver) para minimizar a superfície do loop da estrutura e, portanto, se beneficiar de um efeito de blindagem contra distúrbios EM.

Em todos os casos, deve-se verificar se as estruturas dos quadros e gabinetes são aterradas por meio de conexões muito curtas.

Finalmente, se cabos blindados forem usados, comprimentos grandes devem ser evitados, pois reduzem a eficiência da blindagem (ver Fig. J42).

Aplicação 5

5.1 Exemplos de instalação

Soluções e diagrama esquemático

• O guia de seleção do para-raios tornou possível determinar o valor preciso do para-raios na extremidade de entrada da instalação e do disjuntor de desconexão associado.
• Como os dispositivos sensíveis (U_p <1.5 kV) estão localizados a mais de 30 m do dispositivo de proteção de entrada, os pára-raios de proteção fina devem ser instalados o mais próximo possível das cargas.
• Para garantir uma melhor continuidade de serviço para as áreas da câmara fria:

- Disjuntores de corrente residual tipo “si” serão usados ​​para evitar disparos incômodos causados ​​pelo aumento do potencial de terra conforme a onda de relâmpago passa.

• Para proteção contra sobretensões atmosféricas:

- instale um pára-raios no quadro de distribuição principal

- instale um pára-raios de proteção fina em cada quadro (1 e 2) alimentando os dispositivos sensíveis situados a mais de 30 m do pára-raios de entrada

- instale um pára-raios na rede de telecomunicações para proteger os dispositivos fornecidos, por exemplo, alarmes de incêndio, modems, telefones, faxes.

Recomendações de cabeamento

- Garantir a equipotencialidade das terminações à terra do edifício.

- Reduza as áreas do cabo de alimentação em loop.

Recomendações de instalação

• Instale um pára-raios, Imax = 40 kA (8/20 μs) e um disjuntor de desconexão iC60 classificado para 20 A.
• Instale pára-raios de proteção fina, Imax = 8 kA (8/20 μs) e os disjuntores de desconexão iC60 associados classificados em 20.