¿Qué es un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC?

Un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC está diseñado para ofrecer protección a los sistemas y equipos alimentados por CC frente a picos o sobretensiones repentinos. Los SPD de CC suprimen o desvían las sobretensiones para evitar daños en los componentes electrónicos sensibles, fallos del sistema e incluso la pérdida de datos.

Dispositivo de protección contra sobretensiones de CC

Principio de funcionamiento

La selección, la instalación y el mantenimiento adecuados de los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC son necesarios para garantizar la eficacia de la protección contra sobretensiones. protección contra sobretensiones en sistemas de CC. La eficacia del rendimiento de un SPD de CC varía en función de factores como la capacidad de sobretensión, la tensión de bloqueo, el tiempo de respuesta y la aplicación específica.

El funcionamiento de un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC puede desglosarse de la siguiente manera:

 

DC Dispositivo de protección contra sobretensiones

Figura 1 DC Dispositivo de protección contra sobretensiones

Detección de sobretensiones

Un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC detectará una sobretensión superior a su valor nominal en un sistema de CC. Este dispositivo suele controlar el nivel de tensión utilizando circuitos especiales para detectar sobretensiones.

Sujeción de tensión

Los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC utilizan componentes como varistores de óxido metálico (MOV) o tubos de descarga de gas (GDT) para lograr el bloqueo de la tensión. Estos componentes presentan una alta resistencia a la tensión dentro de los límites normales, lo que permite el flujo normal de corriente eléctrica.

Sin embargo, una sobretensión superior al umbral disminuye significativamente la resistencia del componente, creando una vía de baja impedancia para la corriente de sobretensión. El umbral a partir del cual una tensión se considera sobretensión se denomina tensión de bloqueo o tensión de paso.

Absorción de energía

Los componentes primarios de un dispositivo de protección contra sobretensiones absorben el exceso de energía cuando una sobretensión se desvía a través del dispositivo. El diseño de los varistores de óxido metálico (MOV) es tal que se rompen a altas tensiones disipando la sobretensión en forma de calor.

Principio de funcionamiento de la protección contra sobretensiones de CC

Figura 2 Principio de funcionamiento de la protección contra sobretensiones de CC

Clasificación del DC SPD

Existen diferentes formas de clasificar los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC según su configuración y utilizar una base común. Un método común de clasificar los SPD de CC se basa en su componente principal de la siguiente manera:

SPD de automoción

Los dispositivos de protección contra sobretensiones en aplicaciones de automoción protegen los sistemas y componentes electrónicos de los vehículos de transitorios destructivos y sobretensiones. Esto puede deberse a EMI, descarga de carga y retroceso inductivo.

SPD de CC con varistores de óxido metálico (MOV)

Los MOV son componentes comunes en los SPD de CC que ofrecen capacidades de bloqueo de tensión y absorción de energía para la protección de equipos mediante el desvío de sobretensiones. Existen varias tensiones nominales y configuraciones para los SPD de CC que utilizan varistores de óxido metálico en función de sus requisitos de CC.

SPD de CC con tubos de descarga de gas (GDT)

Los GDT también son componentes de protección contra sobretensiones que se utilizan en los SPD de CC y ofrecen tiempos de respuesta rápidos y capacidad para manejar corrientes de sobretensión elevadas. Estos SPD de CC se utilizan en aplicaciones de CC que requieren una sólida protección contra sobretensiones, como los sistemas de telecomunicaciones.

SPD de CC con diodos de avalancha de silicio (SAD)

Los SAD son dispositivos semiconductores diseñados para proteger contra transitorios de tensión proporcionando tensiones de bloqueo bajas y tiempos de respuesta rápidos. Los SPD basados en SAD se utilizan en equipos electrónicos sensibles y sistemas de comunicación que requieren una sujeción precisa de la tensión y bajas tensiones de paso.

Dispositivo de protección contra sobretensiones híbrido

Estos dispositivos de protección contra sobretensiones combinan múltiples tecnologías, como SAD, MOV y GDT, para proporcionar una protección mejorada contra transitorios. Aprovechan los puntos fuertes de cada componente para ofrecer una protección completa frente a una amplia gama de transitorios y sobretensiones.

dispositivo híbrido de protección contra sobretensiones

Figura 3 Dispositivo de protección contra sobretensiones híbrido

Protectores contra sobretensiones fotovoltaicos

Estos dispositivos de protección contra sobretensiones están diseñados específicamente para la protección de los sistemas fotovoltaicos de energía solar de las perturbaciones eléctricas. Su diseño es capaz de manejar las demandas excepcionales instalaciones solares de alimentado por DC y funcionamiento fiable de los paneles fotovoltaicos.

protector contra sobretensiones fotovoltaicas

Figura 4 protector contra sobretensiones fotovoltaicas

Características del DC SPD

A la hora de seleccionar un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC, es esencial tener en cuenta sus características y los requisitos del sistema. Esto le permitirá asegurarse de que su elección es la adecuada para la tarea, reduciendo así el riesgo de daños y tiempos de inactividad.

Varias características definen la capacidad de rendimiento y fiabilidad de los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC (SPD) en sistemas alimentados por CC. Estas son algunas de las características comunes descritas en los SPD de CC:

Tensión nominal

Los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC utilizan diferentes tensiones nominales que se corresponden con el sistema de alimentación de CC concreto que deben proteger. Seleccionar un SPD de CC cuya tensión nominal coincida o supere la del sistema de CC es ideal para garantizar la eficacia del rendimiento.

Tensión de apriete

La tensión de bloqueo de un SPD de CC se refiere a la tensión máxima permitida durante una sobretensión. Cuando la tensión supera la tensión de bloqueo, el SPD de CC desvía y/o absorbe la tensión transitoria protegiendo el equipo.

Es preferible disponer de SPD de CC con tensiones de apriete más bajas, ya que limitan la cantidad de tensión accesible al equipo. En consecuencia, ofrece una mejor protección a los equipos alimentados con CC.

Manejo de sobretensiones

La capacidad de manejo de corriente de choque de un SPD de CC define la máxima corriente de choque que puede desviar o absorber de forma segura sin sufrir daños. Los SPD de CC están diseñados para gestionar corrientes de sobretensión específicas, por lo que es una característica vital a la hora de seleccionar un SPD para su aplicación.

Tiempo de respuesta

El tiempo de respuesta de un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC determina la rapidez de reacción ante una sobretensión. Los SPD de CC con un tiempo de respuesta rápido proporcionan una protección más rápida contra sobretensiones, iniciando antes el desvío de la corriente de sobretensión y reduciendo la probabilidad de daños.

Piezas de DC SPD

Figura 5 Piezas de DC SPD

Comparación del DC SPD con el AC SPD

La principal diferencia entre los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC y CA se basa en el sistema eléctrico utilizado. Por ello, existen ligeras diferencias entre ambos en lo que respecta a la tensión nominal, la capacidad de tratamiento de sobretensiones, los tiempos de respuesta y las normas.

Las siguientes afirmaciones destacan algunas de las similitudes y diferencias entre los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) de CC y CA:

Gestión de frecuencias

Los dispositivos de protección contra sobretensiones utilizados en sistemas de CC no tienen especificaciones de frecuencia gracias a la constancia de la tensión de CC. En cambio, los de los sistemas de CA tienen necesidades de frecuencia diferentes que requieren un tratamiento distinto.

Sensibilidad a la polaridad

Los dispositivos de protección contra sobretensiones en sistemas de CC son sensibles a los polos y requieren una instalación con una alineación correcta de los terminales. Debido al constante cambio de dirección de la tensión en los sistemas de CA, no tienen designaciones de terminales específicas.

Detección y bloqueo de sobretensiones

Dependiendo del diseño del sistema, tanto los SPD de CC como los de CA contrarrestarán las sobretensiones absorbiéndolas o desviándolas a un nivel seguro. Sin embargo, las diferentes características de la tensión pueden provocar un cambio en los mecanismos aplicados en la detección y el bloqueo.

Tensión nominal

Encontrará dispositivos de protección contra sobretensiones de CC y CA con valores nominales de tensión específicos para los sistemas en los que se utilizan. La mayoría de los sistemas de CC tienen tensiones nominales más bajas que los sistemas de CA, que pueden llegar a 400 V.

Tipo de tensión

Es la diferencia fundamental con los SPD de CC diseñados para sistemas de corriente continua, mientras que los SPD de CA para sistemas de corriente alterna.

AC SPD

Figura 6 AC SPD

Parámetros principales del SPD de CC

Los parámetros de un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC definen su rendimiento e idoneidad en un sistema de CC concreto frente a sobretensiones. Por lo tanto, es fundamental tener en cuenta estos parámetros y el sistema previsto para su uso a fin de lograr una adaptación eficaz.

Los principales parámetros previstos para los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC incluyen:

  • Corriente de fuga: Cuando el dispositivo de protección contra sobretensiones de CC funciona normalmente, la corriente de fuga describe la corriente mínima que fluye a través de él. Es preferible tener una corriente de fuga baja, ya que reduce la disipación de calor y la pérdida de potencia.
  • Tensión máxima de funcionamiento continuo: Define la tensión continua a partir de la cual se activa el dispositivo de protección contra sobretensiones en función de la tensión nominal del sistema.
  • Corriente nominal de descarga: Describe el valor de corriente más alto que un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC puede descargar cuando se produce un evento de sobretensión.
  • Temperatura de funcionamiento: Define las temperaturas dentro de las cuales el dispositivo de protección contra sobretensiones de CC puede funcionar de forma óptima. Este parámetro es específico de la aplicación, especialmente cuando el sistema de CC que necesita protección funciona en condiciones de temperatura extremas.
  • Nivel de protección de tensión: Representa la tensión máxima en los bornes de un dispositivo de protección contra sobretensiones de corriente continua activado. Se alcanza cuando la corriente que pasa por el dispositivo de protección contra sobretensiones coincide con la de la descarga nominal.

Componentes principales de un SPD de CC

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Los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC emplean diversos componentes electrónicos para mitigar las sobretensiones de alta tensión. Estos componentes pueden clasificarse en diferentes tipos, algunos de los cuales utilizan una combinación de tecnologías para potenciar sus ventajas.

Algunos de los principales componentes utilizados en los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC son:

  1. Tubo de descarga de gas (GDT)

Consiste en dos placas negativas frías encerradas en un tubo de vidrio o cerámica y separadas por un gas inerte, normalmente argón. Utiliza un agente desencadenante auxiliar para aumentar la probabilidad de desencadenar la descarga y está disponible en configuraciones bipolares y tripolares.

  1. Diodo de supresión de tensión transitoria (TVS)

Son diodos especiales que funcionan en la zona de ruptura designada inversa. Sujetan y regulan la tensión. Su reducida tensión de bloqueo y su rápida respuesta, permiten su utilización en circuitos de protección multinivel como capa final.

  • Varistor de óxido metálico (MOV)

El MOV es un semiconductor que utiliza óxido de zinc como óxido metálico y presenta una resistencia no lineal. Las fluctuaciones de tensión reflejan un cambio en el valor de la resistencia con un principio de funcionamiento similar al de múltiples uniones P-N conectadas en serie y en paralelo.

  1. Brecha de chispa

Normalmente consiste en un emparejamiento de varillas metálicas expuestas al aire con una distancia de separación, con una varilla conectada al neutro o a la línea de fase de alimentación. La otra se conecta a un terminal de tierra y una sobretensión rompe la separación desviando la sobretensión.

  1. Bobina de choque

Utiliza un núcleo de ferrita que comprende un par de bobinas bobinadas simétricamente con idéntico tamaño y número de vueltas, lo que da como resultado un dispositivo con cuatro terminales. Mitiga principalmente la inductancia de señal de modo común sustancial con un impacto mínimo en la inductancia de fuga de las señales de modo diferencial.

Ventajas de utilizar un SPD de CC

Dispositivo de protección contra sobretensiones DC SPD Cómo instalar un SPD en un sistema solar

El empleo de SPD de CC permite mitigar eficazmente la vulnerabilidad de los sistemas alimentados por CC a las sobretensiones, lo que favorece la protección de los equipos, la fiabilidad del sistema y la seguridad operativa general.

A continuación se resumen las ventajas de utilizar un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC:

  • Protección del equipo: Esta es la principal ventaja de configurar su sistema de CC con un dispositivo de protección contra sobretensiones. Desvía o suprime las sobretensiones excesivas, protegiendo los equipos de posibles daños.
  • Prolongación de la vida útil del equipo: Los SPD de CC evitan los efectos dañinos de las sobretensiones y permiten que los equipos funcionen durante más tiempo. De lo contrario, los equipos desprotegidos sucumben fácilmente a las sobretensiones, lo que provoca daños o reduce su rendimiento.
  • Garantía de seguridad: Cuando se producen sobretensiones, éstas suponen un riesgo para la seguridad, especialmente en entornos industriales que utilizan fuentes de corriente continua de alta energía. Al absorber o redirigir la energía de sobretensión, estos dispositivos reducen la posibilidad de que se produzcan fallos eléctricos, incendios u otros riesgos para la seguridad.
  • Fiabilidad del sistema: Los dispositivos de protección contra sobretensiones contribuyen a mejorar la fiabilidad de los sistemas de CC en su función de protección. Reducen el riesgo de avería de los equipos ayudando a mantener un funcionamiento continuo y minimizar las interrupciones.

Factores a tener en cuenta al elegir un DOCUP

Al elegir un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC, asegúrese de que sea compatible con su sistema y le ofrezca la protección deseada. De este modo, se beneficiará de su papel a la hora de minimizar los riesgos potenciales asociados a los transitorios de tensión.

Algunos factores clave a tener en cuenta son:

  1. Clasificación actual: La corriente nominal del SPD de CC debe ser capaz de soportar la corriente máxima de funcionamiento del sistema. De este modo, la carga resultante del sistema no se sobrecalentará y acabará fallando.
  2. Reputación del fabricante: Investiga al fabricante y evalúa su reputación y fiabilidad en la producción de SPD de alta calidad y en la prestación de un excelente servicio de atención al cliente.
  3. Tiempo de respuesta: El tiempo de respuesta de un dispositivo de protección contra sobretensiones indica su velocidad de reacción ante un evento de sobretensión. Usted desea un tiempo de respuesta breve para hacer frente rápidamente a los transitorios y contrarrestar cualquier daño inminente.
  4. Cumplimiento de normas: Compruebe que el dispositivo de protección contra sobretensiones de CC cumple las normas industriales necesarias. Estas normas garantizan que el dispositivo de protección contra sobretensiones que compra cumple los criterios de rendimiento.
  5. Capacidad de corriente de sobretensión: Evalúe la capacidad de corriente de sobretensión prevista del SPD de CC para asegurarse de que puede gestionar eficazmente las sobretensiones sin verse desbordado.
  6. Tensión nominal: La tensión máxima de funcionamiento de su sistema de CC determina la tensión nominal de su SPD de CC. Debe igualar o superar este valor para proporcionar una protección eficaz contra sobretensiones.

Instalación de un SPD de CC

La instalación de un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC debe realizarse con cuidado para evitar un funcionamiento ineficaz e incluso daños. Al realizar la instalación, tenga en cuenta el modelo, las características del sistema y la normativa local.

Estas son algunas de las consideraciones clave para el proceso de instalación:

  1. Seleccione una ubicación adecuada manteniéndola lo más cerca posible del equipo que se protege. También debe ser fácilmente accesible para permitir el acceso durante el mantenimiento y la inspección.
  2. Siga las instrucciones del fabricante para montar el dispositivo de protección contra sobretensiones de CC. Fíjelo firmemente en una superficie adecuada utilizando los herrajes y espacios libres apropiados para una disipación del calor y ventilación adecuadas.
  3. Conecte el dispositivo de protección contra sobretensiones de CC a la red eléctrica siguiendo las instrucciones y utilizando cables o conductores estándar. Estos deben ser seguros, con terminaciones adecuadas y capaces de soportar la corriente máxima prevista.
  4. Configure un sistema de puesta a tierra que sea fiable y de baja resistencia para contribuir a la desviación segura de las corrientes de sobretensión por parte del SPD de CC.

instalación de DC SPD

Figura 7 Instalación del DC SPD

Comprobación de un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC

Las pruebas de un dispositivo de protección contra sobretensiones de CC verifican su funcionalidad y garantizan que pueda ofrecer una protección eficaz de los equipos frente a las sobretensiones. Al realizar las pruebas, compare los resultados con las características de respuesta específicas que debe cumplir el SPD.

Las pruebas más habituales son:

  1. Prueba de resistencia del aislamiento: Aquí se desconecta el SPD de la fuente de CC y se mide la resistencia entre los terminales de tierra y del dispositivo. Garantiza la ausencia de vías de fuga o fallos.
  2. Prueba de caída de tensión: Esta prueba garantiza que la caída de tensión se encuentra dentro de los límites especificados. Conecta el dispositivo a una fuente de CC antes de aplicar la tensión nominal y medirla.
  3. Prueba de sobretensión: Aquí se realiza una simulación de sobretensiones transitorias aplicando impulsos de sobretensión al dispositivo de protección contra sobretensiones. A continuación, examinará las formas de onda comparándolas con las especificaciones de prueba.

Explicación de las pruebas y la instalación del SPD

Figura 8 Explicación de las pruebas y la instalación del SPD

Normas utilizadas para el DC SPD

Las normas determinan la calidad, fiabilidad y seguridad de los dispositivos de protección contra sobretensiones de CC. Las proporcionan los organismos reguladores e incluyen:

  • ANSI/IEEE45:Ofrece una perspectiva sobre el rendimiento de la prueba de sobretensión de los dispositivos de protección contra sobretensiones en un sistema de CC.
  • IEC61643-11: Analiza los métodos de ensayo y los requisitos específicos de los SPD de CC conectados a sistemas de baja tensión.
  • IEC61643-21: Ofrece una guía para los métodos de ensayo específicos de los SPD de CC utilizados en redes de señalización y telecomunicaciones.
  • IEC61643-22: Describe la selección y aplicación de los SPD de CC utilizados en las redes de telecomunicaciones y transmisión.
  • Laboratorios Underwriters(UL) 1449: Describe los procedimientos de seguridad y funcionamiento de los SPD de CC.

Aplicaciones del SPD de CC

El papel de los SPD de CC en la protección de los equipos frente a las sobretensiones se ejemplifica en las siguientes aplicaciones:

  1. Centros de datos: Los SPD de CC son integrales en la prevención de pérdida de datos y daños en equipos de dispositivos de almacenamiento, equipos de red y servidores.
  2. Sistemas de control industrial: Se utiliza en dispositivos de control que utilizan corriente continua, como sensores, controladores lógicos programables (PLC) y accionamientos de motor.
  3. Energías renovables: La generación de energía eólica y las instalaciones fotovoltaicas para energía solar utilizan SPD de CC para proteger componentes electrónicos sensibles como los inversores.
  4. Sistemas de almacenamiento: Los SPD de CC en sistemas de almacenamiento que utilizan energía de baterías protegen los bancos de baterías, los sistemas de monitorización y los equipos de conversión de potencia.
  5. Telecomunicaciones: Los SPD de CC se incorporan en instalaciones de comunicaciones y centros de datos para salvaguardar equipos críticos como líneas de transmisión de datos y fuentes de alimentación.
  6. Sistemas de transporte: Los vehículos eléctricos, los tranvías y trenes, y las subestaciones eléctricas emplean SPD de CC en estaciones de carga, unidades de control electrónico y sistemas de distribución de energía.

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