O que é um dispositivo de proteção contra surtos de corrente contínua?

Um dispositivo de proteção contra surtos de CC foi projetado para oferecer proteção a sistemas e equipamentos alimentados por CC contra picos ou surtos repentinos de tensão. Os DC SPDs suprimem ou desviam os surtos de tensão, evitando danos a componentes eletrônicos sensíveis, falhas no sistema e até mesmo perda de dados.

Dispositivo de proteção contra surtos de CC

Princípio de funcionamento

A seleção, a instalação e a manutenção adequadas dos dispositivos de proteção contra surtos de corrente contínua são necessárias para garantir a eficácia da proteção. proteção contra surtos de tensão em sistemas CC. A eficácia do desempenho de um SPD CC varia de acordo com fatores como classificação de surto, tensão de fixação, tempo de resposta e aplicação específica.

O funcionamento de um dispositivo de proteção contra surtos de corrente contínua pode ser dividido da seguinte forma:

 

DC Dispositivo de proteção contra surtos

Figura 1 DC Dispositivo de proteção contra surtos

Detecção de surtos

Um dispositivo de proteção contra surtos de CC detectará um surto de tensão além de sua classificação em um sistema de CC. Normalmente, esse dispositivo monitora o nível de tensão utilizando um circuito especial para detectar surtos.

Fixação de tensão

Os dispositivos de proteção contra surtos de corrente contínua utilizam componentes como varistores de óxido metálico (MOVs) ou tubos de descarga de gás (GDTs) para obter o aperto da tensão. Esses componentes apresentam alta resistência à tensão dentro dos limites normais, permitindo o fluxo normal da corrente elétrica.

No entanto, um surto de tensão além do limite diminui significativamente a resistência do componente, criando um caminho de baixa impedância para a corrente de surto. O limite além do qual uma tensão é considerada um surto é chamado de tensão de fixação ou tensão de passagem.

Absorção de energia

Os componentes primários de um dispositivo de proteção contra surtos absorvem o excesso de energia quando um surto de tensão é desviado pelo dispositivo. O projeto dos varistores de óxido metálico (MOV) é tal que eles se quebram em altas tensões, dissipando o surto como calor.

Princípio de funcionamento da proteção contra surtos de corrente contínua

Figura 2 Princípio de funcionamento da proteção contra surtos de corrente contínua

Classificação do DC SPD

Há diferentes maneiras de classificar os dispositivos de proteção contra surtos de CC com sua configuração e usar uma base comum. Um método comum de classificação dos DC SPDs é baseado em seu componente principal, como segue:

SPDs automotivos

Os dispositivos de proteção contra surtos em aplicações automotivas protegem os sistemas e componentes eletrônicos dos veículos contra transientes destrutivos e surtos de tensão. Isso pode ocorrer devido a EMI, descarregamento de carga e retorno indutivo.

SPDs CC com varistores de óxido metálico (MOVs)

Os MOVs são componentes comuns em SPDs CC que oferecem recursos de fixação de tensão e absorção de energia para proteção de equipamentos por meio do desvio de surtos. Há várias classificações e configurações de tensão para SPDs CC que utilizam varistores de óxido metálico de acordo com seus requisitos de CC.

SPDs CC com tubos de descarga de gás (GDTs)

Os GDTs também são componentes de proteção contra surtos utilizados em SPDs CC, oferecendo tempos de resposta rápidos e recursos de manuseio para altas correntes de surto. Esses SPDs CC são usados em aplicações CC com necessidade de proteção robusta contra surtos, como sistemas de telecomunicações.

SPDs CC com diodos de avalanche de silício (SADs)

Os SADs são dispositivos semicondutores projetados para proteger contra transientes de tensão, fornecendo baixas tensões de fixação e tempos de resposta rápidos. Os SPDs baseados em SAD são utilizados em equipamentos eletrônicos sensíveis e sistemas de comunicação que exigem fixação precisa da tensão e baixas tensões de passagem.

Dispositivo híbrido de proteção contra surtos

Esses dispositivos de proteção contra surtos combinam várias tecnologias, como SADs, MOVs e GDTs, para oferecer um desempenho aprimorado de proteção contra transientes. Eles aproveitam os pontos fortes dos componentes individuais para oferecer proteção abrangente contra uma ampla gama de transientes e surtos de tensão.

dispositivo híbrido de proteção contra surtos

Figura 3 Dispositivo híbrido de proteção contra surtos

Protetores contra surtos fotovoltaicos

Esses dispositivos de proteção contra surtos são projetados especificamente para a proteção de sistemas fotovoltaicos de energia solar contra distúrbios elétricos. Seu design é capaz de lidar com as demandas excepcionais das instalações solares alimentadas por CC e com a operação confiável dos painéis fotovoltaicos.

protetor contra surtos fotovoltaicos

Figura 4 protetor contra surtos fotovoltaicos

Recursos do DC SPD

Ao selecionar um dispositivo de proteção contra surtos de CC, a consideração de seus recursos e requisitos do sistema é uma etapa essencial. Isso permite que você garanta que sua escolha seja adequada para a tarefa, reduzindo assim o risco de danos e tempo de inatividade.

Vários recursos definem a capacidade de desempenho e a confiabilidade dos dispositivos de proteção contra surtos (SPDs) de CC em sistemas alimentados por CC. Aqui estão alguns dos recursos comuns descritos nos SPDs CC:

Classificação da tensão

Os dispositivos de proteção contra surtos de CC usam diferentes classificações de tensão que correspondem ao sistema de alimentação de CC específico que devem proteger. A seleção de um SPD CC cuja classificação de tensão corresponda ou exceda a do sistema CC é ideal para garantir a eficácia do desempenho.

Tensão de fixação

A tensão de fixação de um DC SPD refere-se à tensão máxima permitida durante um evento de surto. Quando a tensão excede a tensão de fixação, o DC SPD desvia e/ou absorve a tensão transitória, protegendo o equipamento.

É preferível ter SPDs CC com tensões de fixação mais baixas, pois eles limitam a quantidade de tensão acessível ao equipamento. Consequentemente, ele oferece melhor proteção ao equipamento alimentado por CC.

Tratamento de corrente de surto

A capacidade de manuseio de corrente de surto de um DC SPD define a corrente de surto máxima que ele pode desviar ou absorver com segurança sem danos. Os SPDs CC são projetados para gerenciar correntes de surto específicas, o que os torna um recurso vital ao selecionar um SPD para sua aplicação.

Tempo de resposta

O tempo de resposta de um dispositivo de proteção contra surtos de CC determina a rapidez da reação a um evento de surto. Os SPDs CC com tempo de resposta rápido fornecem proteção mais rápida contra surtos, iniciando o desvio da corrente de surto mais cedo, reduzindo a probabilidade de danos.

Peças do DC SPD

Figura 5 Peças do DC SPD

Comparação do DC SPD com o AC SPD

A principal diferença entre os dispositivos de proteção contra surtos de CC e CA é baseada no sistema de energia em uso. Dessa forma, há pequenas diferenças entre os dois com relação às classificações de tensão, capacidades de tratamento de surtos, tempos de resposta e padrões.

As declarações a seguir destacam algumas das semelhanças e diferenças entre os dispositivos de proteção contra surtos (SPDs) CC e CA:

Manuseio de frequência

Os dispositivos de proteção contra surtos usados em sistemas CC não têm especificações de frequência graças à constância da tensão CC. Por outro lado, os dispositivos usados em sistemas CA têm necessidades de frequência diferentes que exigem um tratamento diferente.

Sensibilidade à polaridade

Os dispositivos de proteção contra surtos em sistemas CC são sensíveis à polaridade, exigindo a instalação com o alinhamento correto dos terminais. Devido à constante mudança de direção da tensão nos sistemas CA, eles não têm designações de terminais específicas.

Detecção e fixação de surtos

Dependendo do projeto do sistema, os SPDs CC e CA combaterão os surtos de tensão absorvendo-os ou desviando-os para um nível seguro. Entretanto, as diferentes características de tensão podem resultar em uma mudança nos mecanismos aplicados na detecção e fixação.

Classificações de tensão

Você encontrará dispositivos de proteção contra surtos de CC e CA com classificações de tensão específicas para os sistemas em que estão em uso. A maioria dos sistemas CC tem classificações de tensão mais baixas do que os sistemas CA, que podem chegar a 400 V.

Tipo de tensão

Essa é a diferença fundamental entre os SPDs CC projetados para sistemas de corrente contínua e os SPDs CA para sistemas de corrente alternada.

AC SPD

Figura 6 AC SPD

Parâmetros principais do DC SPD

Os parâmetros de um dispositivo de proteção contra surtos de CC definem seu desempenho e adequação em um sistema de CC específico contra surtos de tensão. A consideração cuidadosa desses parâmetros e do sistema pretendido para uso é, portanto, vital para uma correspondência eficaz.

Os principais parâmetros fornecidos para os dispositivos de proteção contra surtos de CC incluem:

  • Corrente de fuga: Quando o dispositivo de proteção contra surtos de CC está operando normalmente, a corrente de fuga descreve a corrente mínima que flui por ele. É preferível ter uma corrente de fuga baixa, pois isso resulta na redução da dissipação de calor e da perda de energia.
  • Tensão máxima de operação contínua: Define a tensão CC além da qual o dispositivo de proteção contra surtos é ativado, dependendo da tensão nominal do sistema.
  • Corrente de descarga nominal: Descreve o valor mais alto de corrente que um dispositivo de proteção contra surtos de CC pode descarregar quando ocorre um evento de surto.
  • Faixa de temperatura operacional: Define as temperaturas nas quais o dispositivo de proteção contra surtos de CC pode funcionar de forma ideal. Esse parâmetro é específico da aplicação, especialmente quando o sistema CC que precisa de proteção é operado em condições extremas de temperatura.
  • Nível de proteção de tensão: Representa a tensão máxima entre os terminais de um dispositivo de proteção contra surtos de CC ativado. É alcançada quando a corrente que passa pelo dispositivo de proteção contra surtos corresponde à da descarga nominal.

Componentes primários em um DC SPD

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Os dispositivos de proteção contra surtos de CC empregam vários componentes eletrônicos para atenuar os surtos de alta tensão. Esses componentes podem ser categorizados em diferentes tipos, alguns utilizando uma combinação de tecnologias para potencializar os pontos fortes.

Alguns dos principais componentes utilizados nos dispositivos de proteção contra surtos de CC incluem:

  1. Tubo de descarga de gás (GDT)

Consiste em duas placas negativas frias fechadas em um tubo de vidro ou cerâmica e separadas por um gás inerte, geralmente argônio. Ele utiliza um agente de disparo auxiliar para aumentar a probabilidade de disparar a descarga e está disponível em configurações de dois e três polos.

  1. Diodo de supressão de tensão transiente (TVS)

Esses são diodos especiais que operam na zona de ruptura designada como reversa. Eles fixam e regulam a tensão. Sua tensão de fixação reduzida e resposta rápida permitem seu uso em circuitos de proteção de vários níveis como camada final.

  • Varistor de óxido metálico (MOV)

O MOV é um semicondutor que utiliza óxido de zinco como óxido metálico e apresenta resistência não linear. As flutuações de tensão refletem uma alteração no valor da resistência com um princípio operacional semelhante a várias junções P-N conectadas em série e em paralelo.

  1. Gap de faísca

Normalmente, consiste em um par de hastes metálicas expostas ao ar com uma distância de separação, com uma haste conectada ao neutro ou à linha de fase de energia. A outra se conecta a um terminal de aterramento e um surto de tensão rompe a separação, desviando o surto.

  1. Bobina do estrangulador

Utiliza um núcleo de ferrite que compreende um par de bobinas enroladas simetricamente com tamanho e número de voltas idênticos, resultando em um dispositivo com quatro terminais. Ele atenua principalmente a indutância substancial do sinal de modo comum com impacto mínimo na indutância de vazamento dos sinais de modo diferencial.

Vantagens de usar um DC SPD

Dispositivo de proteção contra surtos DC SPD Como instalar o SPD no sistema solar

Com o emprego de SPDs CC, as vulnerabilidades dos sistemas alimentados por CC a surtos de tensão podem ser atenuadas de forma eficaz, promovendo a proteção do equipamento, a confiabilidade do sistema e a segurança operacional geral.

Um resumo dos benefícios da utilização de um dispositivo de proteção contra surtos de CC é discutido abaixo:

  • Proteção do equipamento: Esse é o principal benefício de configurar seu sistema CC com um dispositivo de proteção contra surtos. Ele desvia ou suprime os surtos excessivos de tensão, protegendo o equipamento contra danos.
  • Vida útil estendida do equipamento: Evitar os efeitos prejudiciais dos surtos com os DC SPDs permite que o equipamento funcione por mais tempo. Caso contrário, os equipamentos desprotegidos sucumbem facilmente aos surtos de tensão, o que resulta em danos ou em um desempenho prejudicado.
  • Garantia de segurança: Quando ocorrem eventos de surto, eles representam riscos à segurança, especialmente em ambientes industriais que utilizam fontes de CC com alta energia. Ao absorver ou redirecionar a energia de surto, esses dispositivos reduzem o potencial de falhas elétricas, incêndios ou outros riscos à segurança.
  • Confiabilidade do sistema: Os dispositivos de proteção contra surtos contribuem para a melhoria da confiabilidade do sistema CC em sua função de proteção. Eles reduzem o risco de falha do equipamento, ajudando a manter a operação contínua e a minimizar as interrupções.

Fatores a serem considerados na seleção de um DPS

Ao escolher um dispositivo de proteção contra surtos de CC, certifique-se de que ele seja compatível com seu sistema, oferecendo a proteção desejada. Dessa forma, você se beneficiará de sua função de minimizar os possíveis riscos associados a transientes de tensão.

Alguns fatores importantes a serem levados em conta incluem:

  1. Classificação atual: A classificação de corrente do DC SPD deve ser capaz de suportar a corrente operacional máxima do sistema. Dessa forma, a carga resultante do sistema não superaquece, resultando em falha.
  2. Reputação do fabricante: Pesquise o fabricante e avalie sua reputação e confiabilidade na produção de SPDs de alta qualidade e no fornecimento de excelente suporte ao cliente.
  3. Tempo de resposta: O tempo de resposta de um dispositivo de proteção contra surtos indica sua velocidade de reação a um evento de surto. Você deseja um tempo de resposta breve para lidar rapidamente com os transientes e compensar qualquer dano iminente.
  4. Conformidade com os padrões: Verifique se o dispositivo de proteção contra surtos de CC está em conformidade com os padrões necessários do setor. Esses padrões garantem que o dispositivo de proteção contra surtos que você está comprando atenda aos critérios de desempenho.
  5. Capacidade de corrente de surto: Avalie a capacidade de corrente de surto esperada do DC SPD, garantindo que ele possa lidar efetivamente com os surtos sem ficar sobrecarregado.
  6. Classificação de tensão: A tensão operacional máxima do seu sistema CC determina a classificação de tensão do seu DC SPD. Ele deve corresponder ou exceder esse valor se quiser oferecer proteção eficaz contra surtos.

Instalação de um DC SPD

A instalação de um dispositivo de proteção contra surtos de CC deve ser feita com cuidado para evitar um desempenho ineficaz e até mesmo danos. Ao fazer a instalação, leve em conta o modelo, as características do sistema e as normas locais.

Aqui estão algumas das principais considerações sobre o processo de instalação:

  1. Selecione um local apropriado, mantendo-o o mais próximo possível do equipamento que está sendo protegido. Ele também deve ser facilmente acessível, permitindo o acesso durante a manutenção e a inspeção.
  2. Siga as instruções fornecidas pelo fabricante para montar o dispositivo de proteção contra surtos de CC. Fixe-o firmemente em uma superfície apropriada, utilizando o hardware e as folgas adequadas para dissipação de calor e ventilação adequadas.
  3. Conecte o dispositivo de proteção contra surtos de CC ao sistema de energia de acordo com as instruções, usando cabos ou condutores padrão. Eles devem ser seguros, com terminações adequadas e capazes de suportar a corrente máxima esperada.
  4. Configure um sistema de aterramento que seja confiável e de baixa resistência para ajudar no desvio seguro das correntes de surto pelo DC SPD.

Instalação do DC SPD

Figura 7 Instalação do DC SPD

Teste de um dispositivo de proteção contra surtos de CC

O teste de um dispositivo de proteção contra surtos de CC verifica sua funcionalidade, garantindo que ele possa oferecer proteção eficaz ao equipamento contra surtos de tensão. Ao testar, compare os resultados do teste com as características de resposta específicas fornecidas às quais o SPD precisa aderir.

Os testes comumente usados incluem:

  1. Teste de resistência do isolamento: Aqui, você desconecta o SPD da fonte de CC e mede a resistência entre os terminais do dispositivo e do terra. Isso garante a ausência de caminhos de vazamento ou falhas.
  2. Teste de queda de tensão: Esse teste garante que a queda de tensão esteja dentro dos limites especificados. Você conecta o dispositivo a uma fonte de CC antes de aplicar a tensão nominal e medi-la.
  3. Teste de surto: Aqui, você realiza uma simulação de surtos transitórios aplicando impulsos de surto ao dispositivo de proteção contra surtos. Depois disso, examine as formas de onda comparando-as com as especificações de teste.

Explicação sobre o teste e a instalação do SPD

Figura 8 Explicação sobre o teste e a instalação do SPD

Padrões usados para DC SPD

Os padrões determinam a qualidade, a confiabilidade e a segurança dos dispositivos de proteção contra surtos de corrente contínua. Elas são fornecidas por órgãos reguladores e incluem:

  • ANSI/IEEE45:Fornece uma visão geral do desempenho do teste de surto dos dispositivos de proteção contra surtos em um sistema CC.
  • IEC61643-11: Discute os métodos de teste e os requisitos específicos para SPDs CC conectados a sistemas de baixa tensão.
  • IEC61643-21: Oferece um guia para os métodos de teste específicos dos DC SPDs usados em redes de sinalização e telecomunicações.
  • IEC61643-22: Descreve a seleção e a aplicação de SPDs CC usados em redes de telecomunicações e transmissão.
  • Underwriters Laboratories(UL) 1449: Descreve os procedimentos de segurança e desempenho para SPDs CC.

Aplicações do DC SPD

A função dos DC SPDs na proteção de equipamentos contra surtos de tensão é exemplificada em diferentes aplicações, como segue:

  1. Centros de dados: Os DC SPDs são essenciais na prevenção de perda de dados e danos a equipamentos em dispositivos de armazenamento, equipamentos de rede e servidores.
  2. Sistemas de controle industrial: Usado em dispositivos de controle que utilizam energia CC, como sensores, controladores lógicos programáveis (PLCs) e acionamentos de motor.
  3. Energia renovável: A geração de energia eólica e as instalações fotovoltaicas para energia solar utilizam SPDs CC para proteger eletrônicos sensíveis, como inversores.
  4. Sistemas de armazenamento: Os DC SPDs em sistemas de armazenamento que utilizam energia da bateria protegem bancos de baterias, sistemas de monitoramento e equipamentos de conversão de energia.
  5. Telecomunicações: Os DC SPDs são incorporados em instalações de comunicação e data centers para proteger equipamentos essenciais, como linhas de transmissão de dados e fontes de alimentação.
  6. Sistemas de transporte: Veículos elétricos, bondes e trens, e subestações elétricas empregam SPDs CC em estações de carregamento, unidades de controle eletrônico e sistemas de distribuição de energia.

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