En los últimos años, con el avance de la ciencia y la tecnología, la nación tecnológica de los electrodomésticos y la mejora de los requisitos de energía para los equipos electrónicos, existen numerosos circuitos integrados a gran escala o ultra-gran que son muy sensibles a la sobretensión dentro de estos equipos electrónicos, de modo que la pérdida causada por el voltaje aumenta. Dada esta situación, el "Código para el Diseño de Protección contra Rayos de Edificios" GB50057-94 (Edición 2000) ha añadido el Capítulo VI - Pulsos Electromagnéticos de Protección contra Rayos. Según este requisito, algunos fabricantes también han introducido productos relacionados contra la sobretensión, que a menudo llamamos protectores contra sobretensiones. Es esencial instalar un sistema completo de unión equipotencial para proteger los sistemas eléctricos y electrónicos, incluidos todos los conductores activos en la zona de protección de compatibilidad electromagnética. Las características físicas de los componentes de descarga en diferentes dispositivos de protección contra sobretensión tienen ventajas y desventajas en aplicaciones prácticas, por lo que los circuitos de protección con múltiples componentes son más utilizados.
Sin embargo, puede cumplir todos los requisitos técnicos del paracorrientes eléctricas que puede conducir corriente de pulso de 10/350μs con el nivel técnico contemporáneo, el protector contra sobretensiones enchufable para la distribución secundaria de energía, el dispositivo de protección eléctrica y el filtro de potencia. Por lo tanto, la gama de productos es escasa. Además, esta gama de productos debería incluir arrestadores para todos los circuitos, es decir, además de fuentes de alimentación, para medición, control, circuitos de regulación técnica, circuitos de transmisión de procesamiento electrónico de datos, y comunicaciones inalámbricas y cableadas, para que los clientes puedan utilizarlos.
Se ofrece una breve introducción a varios productos de protección contra sobretensiones más utilizados y un breve análisis de sus características y ocasiones aplicables.
1 Sistema de unión equipotencial
El principio básico de la protección contra sobretensión es que la sobretensión transitoria ocurre en el instante (nivel de microsegundos o nanosegundos). Debe alcanzarse un equipotencial entre todas las partes metálicas en el área protegida. "El equipotencial es el uso de cables de conexión o protectores de sobretensión para conectar dispositivos de protección contra rayos, estructuras metálicas de edificios, conductores externos, dispositivos eléctricos y de telecomunicaciones, etc., en el espacio donde se requiere protección contra rayos." ("Especificaciones para el diseño de edificios con protección contra rayos") (GB50057-94). "El propósito de la unión equipotencial es reducir la diferencia de potencial entre partes metálicas y sistemas en espacios que requieren protección contra rayos" (IEC13123.4). "Código de Diseño de Protección contra Rayos para Edificios" (GB50057-94) estipula: "El Artículo 3.1.2 Para edificios equipados con dispositivos de protección contra rayos, cuando estos no puedan aislarse de otras instalaciones y personas en el edificio, deben adoptar la unión equipotencial." Al establecer esta red de unión equipotencial, se debe tener cuidado de mantener la menor distancia posible entre el equipo eléctrico y el electrónico que deben intercambiar información y los cables de conexión entre la banda de unión equipotencial.
Según el teorema de inducción, cuanto mayor es la inductancia, mayor es la tensión generada por la corriente transitoria en el circuito; (U=L·di/dt> La inductancia está principalmente relacionada con la longitud del cable y tiene poco que ver con la sección transversal del mismo. Por lo tanto, debe mantenerse el cable de tierra lo más corto posible. Además, la conexión paralela de varios cables puede reducir significativamente la inductancia del sistema de compensación de potencial. Para poner en práctica estos dos casos, teóricamente es posible conectar todos los circuitos que deberían conectarse al dispositivo de enlace equipotencial. Está conectado a la misma placa metálica que el equipo. Según el concepto de la placa metálica, la estructura de línea, estrella o malla puede utilizarse cuando se adapta el sistema de unión equipotencial. En principio, solo debe usarse la equipotencialidad de la malla al diseñar un nuevo equipo—sistema de enlace.
2 Conectar las líneas de alimentación al sistema de unión equipotencial
La llamada tensión transitoria o corriente transitoria significa que su tiempo de existencia es solo microsegundos o nanosegundos. El principio básico de la protección contra sobretensiones es establecer un equipotencial entre todas las partes conductoras en el área protegida durante un breve periodo cuando exista la sobretensión transitoria. Estos elementos conductores también incluyen líneas eléctricas en circuitos eléctricos. Por lo tanto, se necesitan componentes que respondan más rápido que microsegundos, especialmente para descargas electrostáticas.
Demasiado rápido que nanosegundos. Estos elementos son capaces de suministrar corrientes poderosas de hasta varias veces diez mil amperios en breves intervalos de tiempo. Se calculan vientos de hasta 50 kA a pulsos de 10/350μS bajo condiciones esperadas de impacto de rayo. Mediante un dispositivo completo de enlace equipotencial, se puede formar rápidamente una isla equipotencial, y la diferencia de potencial de esta isla equipotencial a una distancia puede llegar incluso a cientos de miles de voltios. Sin embargo, lo esencial es que, en la zona a proteger, todas las partes conductoras puedan considerarse con potenciales casi iguales o iguales sin diferencias significativas de potencial.
3 Instalación y funcionamiento del protector contra sobretensiones
Los componentes eléctricos de protección contra sobretensiones se dividen en suaves y complejos en cuanto a características de respuesta. Los elementos de descarga con características de respuesta dura incluyen tubos de descarga de gas y descargadores de hueco de descarga, ya sea huecos angulares basados en tecnología de corte de arco o huecos de chispa por descarga coaxial. Los elementos de descarga que pertenecen a las características de respuesta blanda incluyen varistores y diodos supresores. (Nuestro protector contra sobretensiones es una respuesta débil.) La diferencia entre estos componentes es la capacidad de descarga, las características de respuesta y el voltaje residual. Dado que estos componentes tienen ventajas y desventajas, las personas los combinan en circuitos de protección especiales para promover fortalezas y evitar debilidades. Los protectores contra sobretensiones más utilizados en edificios civiles son principalmente para-sobretensiones de tipo huecos y paradores de varistores.
Las corrientes eléctricas y las corrientes posteriores requieren descargas extremadamente potentes. Para conducir la corriente eléctrica a través del sistema de unión equipotencial hacia el dispositivo de puesta a tierra, se recomienda utilizar pararrayos de corriente con huecos angulares según la técnica de corte por arco. Solo puede conducir una corriente de pulso de 10/350μs superior a 50kA y realizar extinción automática por arco. El voltaje nominal de este producto puede alcanzar los 400V. Además, este arrestador no hará que un fusible de 125A se queme cuando la corriente de cortocircuito suba a 4kA.
Gracias a su buen desempeño, las características de funcionamiento ininterrumpido de los instrumentos y equipos instalados en la zona protegida han mejorado considerablemente. Sin embargo, cabe señalar que no solo se puede procesar la corriente de alta amplitud, sino que, lo más importante, la forma de pulso de la corriente juega un papel decisivo. Ambos deben considerarse simultáneamente. Por lo tanto, aunque la chispa angular también puede conducir corrientes de hasta 100kA, su forma de pulso es más corta (8/80μs). Estos pulsos son pulsos de corriente impulsiva, que hasta octubre de 1992 fueron la base de diseño para el desarrollo de pararrayos de corriente.
Aunque el pararrayos tiene una buena capacidad de descarga, siempre presenta sus limitaciones: su voltaje residual puede llegar a 2,5~3,5kV. Por lo tanto, cuando el pararrayos se instala en su conjunto, debe usarse en combinación con otros pararrafos.
Estos productos incluyen principalmente Limitor MB, Limitor NB-B, LimitorG-B, Limited GN-B de Asia Brown Boffary (ABB) Company; DEHNportMaxi (10/350μs, 50kA/ fase), DEHNport255 (10/350μs, 75kA/fase); Distancia de chispa angular del PHOENIX en Alemania: FLT60-400 (fase 10/350μs, 60kA), FLT25-400 (10/350μs, fase 25kA); el protector contra sobretensiones PRF1 de Schneider; Serie VBF de MOELLER.
Los varistores funcionan como tantos diodos supresores bidireccionales en serie como en paralelo y funcionan como resistencias dependientes del voltaje. Cuando el voltaje supera el tensión especificado, el varistor puede conducir electricidad; Cuando el voltaje es inferior al especificado, el varistor no conduce la electricidad. De este modo, el varistor puede desempeñar un papel perfecto de limitación de voltaje. Los varistores actúan extremadamente rápido, con tiempos de respuesta en torno a los nanosegundos bajos.
El varistor comúnmente utilizado en la fuente de alimentación puede conducir corriente con un límite de 40kA8/20us de pulso, por lo que es muy adecuado para el descargador de segunda etapa de la fuente de alimentación. Pero no es ideal como paraccionacorrientes eléctricas. Está registrado en el documento IEC1024-1 del Comité Internacional de Tecnología Electrónica que la cantidad de carga a procesar es de 10/350μs, lo que equivale a 20 veces la cantidad de carga en el caso de un pulso de 8/20μs.
(10/350) μs=20xQ(8/20) μs
Se puede ver en esta fórmula que es esencial no solo prestar atención a la amplitud de la corriente de descarga, sino también a la forma del pulso. La desventaja del varistor es que es fácil de envejecer y tiene una alta capacitancia. Además, el elemento del diodo se descompone. Dado que, en la mayoría de los casos, se produce un cortocircuito cuando la unión PN está sobrecargada, dependiendo de la frecuencia con la que se cargue, el varistor comienza a extraer corrientes de fuga que pueden causar errores en circuitos de prueba insensibles a los datos de medición. Al mismo tiempo, especialmente a voltajes altos, generará un calor intenso durante el recorrido.
La alta capacitancia del varistor hace imposible su uso en líneas de transmisión de señal en muchos casos. La capacitancia y la inductancia de los cables forman un circuito pasa-bajos que atenúa significativamente la señal. Pero la atenuación por debajo de unos 30kHz es insignificante. Estos productos incluyen principalmente Limitor V, Limited VTS, Limitor VE, Limitor VETS, LimitorGE-S de ABB; los protectores contra sobretensiones reemplazables de la serie PRD de Schneider; los productos VR7 y VS7 de MOELLER; DEHNguard385 de Alemania (fase 8/20μs, 40kA), DEHNguard275 (fase 8/20μs, 40kA); VAL-MS400ST (8/20μs, fase 40kA), VAL-ME400ST/FM (8/20μs, 40kA/fase) de PHOENIX, Alemania; Ma Shen DB30-4A/B (8/20μs, 30kA/fase), DB40-4A/B (8/20μs, 40kA fase).
4 Instalar un protector contra sobretensiones según el esquema de protección contra sobretensión
Un conjunto (tipo de montaje sobre raíl, tipo enchufe de alimentación, adaptador) que contiene un único elemento de protección o un circuito de protección combinado integrado según las condiciones técnicas de instalación se denomina descargador.
La protección contra sobretensión en casi todos los casos debe dividirse en al menos dos niveles. Por ejemplo, cada arrestador que contenga solo un nivel de seguridad puede instalarse en diferentes ubicaciones de la fuente de alimentación. El mismo arrestador también puede tener varios niveles de protección. Para lograr una protección adecuada contra sobretensión, las personas deberán proteger el rango de diferentes divisiones de compatibilidad electromagnética, este rango de protección, incluyendo desde la zona de protección contra rayos 0 hasta la zona de protección contra sobretensión 1 a 3, hasta que la zona de protección contra tensiones de interferencia tenga un número de serie superior. Las zonas de protección de compatibilidad electromagnética 0 a 3 se configuran para evitar daños en el equipo debido al acoplamiento de alta energía. La protección de compatibilidad electromagnética con un número de serie superior está configurada para evitar distorsiones y pérdidas de información. Cuanto mayor sea el número de zona de protección, menor será la energía esperada de perturbación y el nivel de voltaje de perturbación. El equipo eléctrico y electrónico que necesita protección se instala en un anillo de protección muy eficaz. Este anillo de protección puede ser para un solo aparato electrónico, un espacio con varios tipos de equipos electrónicos o incluso un edificio entero que pasa por allí. Los cables que normalmente tienen un anillo protector con blindaje espacial se conectan al arrestador de tensión al mismo tiempo que el equipo periférico del círculo protector.
Sin embargo, puede cumplir todos los requisitos técnicos del paracorrientes eléctricas que puede conducir corriente de pulso de 10/350μs con el nivel técnico contemporáneo, el protector contra sobretensiones enchufable para la distribución secundaria de energía, el dispositivo de protección eléctrica y el filtro de potencia. Por lo tanto, la gama de productos es escasa. Además, esta gama de productos debería incluir arrestadores para todos los circuitos, es decir, además de fuentes de alimentación, para medición, control, circuitos de regulación técnica, circuitos de transmisión de procesamiento electrónico de datos, y comunicaciones inalámbricas y cableadas, para que los clientes puedan utilizarlos.
Se ofrece una breve introducción a varios productos de protección contra sobretensiones más utilizados y un breve análisis de sus características y ocasiones aplicables.
1 Sistema de unión equipotencial
El principio básico de la protección contra sobretensión es que la sobretensión transitoria ocurre en el instante (nivel de microsegundos o nanosegundos). Debe alcanzarse un equipotencial entre todas las partes metálicas en el área protegida. "El equipotencial es el uso de cables de conexión o protectores de sobretensión para conectar dispositivos de protección contra rayos, estructuras metálicas de edificios, conductores externos, dispositivos eléctricos y de telecomunicaciones, etc., en el espacio donde se requiere protección contra rayos." ("Especificaciones para el diseño de edificios con protección contra rayos") (GB50057-94). "El propósito de la unión equipotencial es reducir la diferencia de potencial entre partes metálicas y sistemas en espacios que requieren protección contra rayos" (IEC13123.4). "Código de Diseño de Protección contra Rayos para Edificios" (GB50057-94) estipula: "El Artículo 3.1.2 Para edificios equipados con dispositivos de protección contra rayos, cuando estos no puedan aislarse de otras instalaciones y personas en el edificio, deben adoptar la unión equipotencial." Al establecer esta red de unión equipotencial, se debe tener cuidado de mantener la menor distancia posible entre el equipo eléctrico y el electrónico que deben intercambiar información y los cables de conexión entre la banda de unión equipotencial.
Según el teorema de inducción, cuanto mayor es la inductancia, mayor es la tensión generada por la corriente transitoria en el circuito; (U=L·di/dt> La inductancia está principalmente relacionada con la longitud del cable y tiene poco que ver con la sección transversal del mismo. Por lo tanto, debe mantenerse el cable de tierra lo más corto posible. Además, la conexión paralela de varios cables puede reducir significativamente la inductancia del sistema de compensación de potencial. Para poner en práctica estos dos casos, teóricamente es posible conectar todos los circuitos que deberían conectarse al dispositivo de enlace equipotencial. Está conectado a la misma placa metálica que el equipo. Según el concepto de la placa metálica, la estructura de línea, estrella o malla puede utilizarse cuando se adapta el sistema de unión equipotencial. En principio, solo debe usarse la equipotencialidad de la malla al diseñar un nuevo equipo—sistema de enlace.
2 Conectar las líneas de alimentación al sistema de unión equipotencial
La llamada tensión transitoria o corriente transitoria significa que su tiempo de existencia es solo microsegundos o nanosegundos. El principio básico de la protección contra sobretensiones es establecer un equipotencial entre todas las partes conductoras en el área protegida durante un breve periodo cuando exista la sobretensión transitoria. Estos elementos conductores también incluyen líneas eléctricas en circuitos eléctricos. Por lo tanto, se necesitan componentes que respondan más rápido que microsegundos, especialmente para descargas electrostáticas.
Demasiado rápido que nanosegundos. Estos elementos son capaces de suministrar corrientes poderosas de hasta varias veces diez mil amperios en breves intervalos de tiempo. Se calculan vientos de hasta 50 kA a pulsos de 10/350μS bajo condiciones esperadas de impacto de rayo. Mediante un dispositivo completo de enlace equipotencial, se puede formar rápidamente una isla equipotencial, y la diferencia de potencial de esta isla equipotencial a una distancia puede llegar incluso a cientos de miles de voltios. Sin embargo, lo esencial es que, en la zona a proteger, todas las partes conductoras puedan considerarse con potenciales casi iguales o iguales sin diferencias significativas de potencial.
3 Instalación y funcionamiento del protector contra sobretensiones
Los componentes eléctricos de protección contra sobretensiones se dividen en suaves y complejos en cuanto a características de respuesta. Los elementos de descarga con características de respuesta dura incluyen tubos de descarga de gas y descargadores de hueco de descarga, ya sea huecos angulares basados en tecnología de corte de arco o huecos de chispa por descarga coaxial. Los elementos de descarga que pertenecen a las características de respuesta blanda incluyen varistores y diodos supresores. (Nuestro protector contra sobretensiones es una respuesta débil.) La diferencia entre estos componentes es la capacidad de descarga, las características de respuesta y el voltaje residual. Dado que estos componentes tienen ventajas y desventajas, las personas los combinan en circuitos de protección especiales para promover fortalezas y evitar debilidades. Los protectores contra sobretensiones más utilizados en edificios civiles son principalmente para-sobretensiones de tipo huecos y paradores de varistores.
Las corrientes eléctricas y las corrientes posteriores requieren descargas extremadamente potentes. Para conducir la corriente eléctrica a través del sistema de unión equipotencial hacia el dispositivo de puesta a tierra, se recomienda utilizar pararrayos de corriente con huecos angulares según la técnica de corte por arco. Solo puede conducir una corriente de pulso de 10/350μs superior a 50kA y realizar extinción automática por arco. El voltaje nominal de este producto puede alcanzar los 400V. Además, este arrestador no hará que un fusible de 125A se queme cuando la corriente de cortocircuito suba a 4kA.
Gracias a su buen desempeño, las características de funcionamiento ininterrumpido de los instrumentos y equipos instalados en la zona protegida han mejorado considerablemente. Sin embargo, cabe señalar que no solo se puede procesar la corriente de alta amplitud, sino que, lo más importante, la forma de pulso de la corriente juega un papel decisivo. Ambos deben considerarse simultáneamente. Por lo tanto, aunque la chispa angular también puede conducir corrientes de hasta 100kA, su forma de pulso es más corta (8/80μs). Estos pulsos son pulsos de corriente impulsiva, que hasta octubre de 1992 fueron la base de diseño para el desarrollo de pararrayos de corriente.
Aunque el pararrayos tiene una buena capacidad de descarga, siempre presenta sus limitaciones: su voltaje residual puede llegar a 2,5~3,5kV. Por lo tanto, cuando el pararrayos se instala en su conjunto, debe usarse en combinación con otros pararrafos.
Estos productos incluyen principalmente Limitor MB, Limitor NB-B, LimitorG-B, Limited GN-B de Asia Brown Boffary (ABB) Company; DEHNportMaxi (10/350μs, 50kA/ fase), DEHNport255 (10/350μs, 75kA/fase); Distancia de chispa angular del PHOENIX en Alemania: FLT60-400 (fase 10/350μs, 60kA), FLT25-400 (10/350μs, fase 25kA); el protector contra sobretensiones PRF1 de Schneider; Serie VBF de MOELLER.
Los varistores funcionan como tantos diodos supresores bidireccionales en serie como en paralelo y funcionan como resistencias dependientes del voltaje. Cuando el voltaje supera el tensión especificado, el varistor puede conducir electricidad; Cuando el voltaje es inferior al especificado, el varistor no conduce la electricidad. De este modo, el varistor puede desempeñar un papel perfecto de limitación de voltaje. Los varistores actúan extremadamente rápido, con tiempos de respuesta en torno a los nanosegundos bajos.
El varistor comúnmente utilizado en la fuente de alimentación puede conducir corriente con un límite de 40kA8/20us de pulso, por lo que es muy adecuado para el descargador de segunda etapa de la fuente de alimentación. Pero no es ideal como paraccionacorrientes eléctricas. Está registrado en el documento IEC1024-1 del Comité Internacional de Tecnología Electrónica que la cantidad de carga a procesar es de 10/350μs, lo que equivale a 20 veces la cantidad de carga en el caso de un pulso de 8/20μs.
(10/350) μs=20xQ(8/20) μs
Se puede ver en esta fórmula que es esencial no solo prestar atención a la amplitud de la corriente de descarga, sino también a la forma del pulso. La desventaja del varistor es que es fácil de envejecer y tiene una alta capacitancia. Además, el elemento del diodo se descompone. Dado que, en la mayoría de los casos, se produce un cortocircuito cuando la unión PN está sobrecargada, dependiendo de la frecuencia con la que se cargue, el varistor comienza a extraer corrientes de fuga que pueden causar errores en circuitos de prueba insensibles a los datos de medición. Al mismo tiempo, especialmente a voltajes altos, generará un calor intenso durante el recorrido.
La alta capacitancia del varistor hace imposible su uso en líneas de transmisión de señal en muchos casos. La capacitancia y la inductancia de los cables forman un circuito pasa-bajos que atenúa significativamente la señal. Pero la atenuación por debajo de unos 30kHz es insignificante. Estos productos incluyen principalmente Limitor V, Limited VTS, Limitor VE, Limitor VETS, LimitorGE-S de ABB; los protectores contra sobretensiones reemplazables de la serie PRD de Schneider; los productos VR7 y VS7 de MOELLER; DEHNguard385 de Alemania (fase 8/20μs, 40kA), DEHNguard275 (fase 8/20μs, 40kA); VAL-MS400ST (8/20μs, fase 40kA), VAL-ME400ST/FM (8/20μs, 40kA/fase) de PHOENIX, Alemania; Ma Shen DB30-4A/B (8/20μs, 30kA/fase), DB40-4A/B (8/20μs, 40kA fase).
4 Instalar un protector contra sobretensiones según el esquema de protección contra sobretensión
Un conjunto (tipo de montaje sobre raíl, tipo enchufe de alimentación, adaptador) que contiene un único elemento de protección o un circuito de protección combinado integrado según las condiciones técnicas de instalación se denomina descargador.
La protección contra sobretensión en casi todos los casos debe dividirse en al menos dos niveles. Por ejemplo, cada arrestador que contenga solo un nivel de seguridad puede instalarse en diferentes ubicaciones de la fuente de alimentación. El mismo arrestador también puede tener varios niveles de protección. Para lograr una protección adecuada contra sobretensión, las personas deberán proteger el rango de diferentes divisiones de compatibilidad electromagnética, este rango de protección, incluyendo desde la zona de protección contra rayos 0 hasta la zona de protección contra sobretensión 1 a 3, hasta que la zona de protección contra tensiones de interferencia tenga un número de serie superior. Las zonas de protección de compatibilidad electromagnética 0 a 3 se configuran para evitar daños en el equipo debido al acoplamiento de alta energía. La protección de compatibilidad electromagnética con un número de serie superior está configurada para evitar distorsiones y pérdidas de información. Cuanto mayor sea el número de zona de protección, menor será la energía esperada de perturbación y el nivel de voltaje de perturbación. El equipo eléctrico y electrónico que necesita protección se instala en un anillo de protección muy eficaz. Este anillo de protección puede ser para un solo aparato electrónico, un espacio con varios tipos de equipos electrónicos o incluso un edificio entero que pasa por allí. Los cables que normalmente tienen un anillo protector con blindaje espacial se conectan al arrestador de tensión al mismo tiempo que el equipo periférico del círculo protector.