Nos últimos anos, com o avanço da ciência e tecnologia, a nação tecnológica dos eletrodomésticos e a melhoria dos requisitos de energia para equipamentos eletrônicos, há um grande número de circuitos integrados de grande ou ultra grande escala que são muito sensíveis à sobretensão dentro desses equipamentos eletrônicos, de modo que a perda causada pela tensão está aumentando. Diante dessa situação, o "Código para Proteção contra Raios de Construção" GB50057-94 (Edição de 2000) adicionou o Capítulo VI - Pulso Eletromagnético de Proteção contra Relâmpagos. De acordo com esse requisito, alguns fabricantes também introduziram produtos relacionados de proteção contra sobretensão, que frequentemente chamamos de protetores contra surtos. É essencial instalar um sistema completo de ligação equipotencial para proteger os sistemas elétricos e eletrônicos, incluindo todos os condutores ativos na zona de proteção contra compatibilidade eletromagnética. As características físicas dos componentes de descarga em diferentes dispositivos de proteção contra sobretensão apresentam vantagens e desvantagens em aplicações práticas, por isso circuitos de proteção com múltiplas partes são mais amplamente utilizados.
No entanto, ele pode atender a todos os requisitos técnicos do para-correntes de raios, que pode conduzir corrente de pulso de 10/350μs com o nível técnico contemporâneo, do protetor de surtos plugável para distribuição secundária de energia, do dispositivo de proteção de energia elétrica e do filtro de energia. Portanto, a linha de produtos é escassa. Além disso, essa linha de produtos deve incluir para-chuvas para todos os circuitos, ou seja, além das fontes de alimentação, para medição, controle, circuitos de regulação técnica, circuitos de transmissão de processamento eletrônico de dados e comunicação sem fio e com fio, para que os clientes possam utilizá-los.
Uma breve introdução a vários produtos de proteção contra surtos comumente usados e uma breve análise de suas características e ocasiões aplicáveis são apresentadas.
1 Sistema de ligação equipotencial
O princípio básico da proteção contra sobretensão é que a sobretensão transitória ocorre no instante (nível microssegundo ou nanossegundo). Um equipotencial deve ser alcançado entre todas as partes metálicas na área protegida. "Equipotencial é o uso de fios de conexão ou protetores contra sobretensão para conectar dispositivos de proteção contra raios, estruturas metálicas de edifícios, condutores externos, dispositivos elétricos e de telecomunicações, etc., no espaço onde a proteção contra raios é necessária." ("Especificações para Projeto de Proteção contra Raios de Edifícios") (GB50057-94). "O objetivo da ligação equipotencial é reduzir a diferença de potencial entre partes metálicas e sistemas em espaços que exigem proteção contra raios" (IEC13123.4). "Código de Design de Proteção contra Raios para Edifícios" (GB50057-94) estipula: "Artigo 3.1.2 Para edifícios equipados com dispositivos de proteção contra raios, quando os dispositivos não podem ser isolados de outras instalações e pessoas no edifício, eles devem adotar a ligação equipotencial." Ao estabelecer essa rede de ligação equipotencial, deve-se ter cuidado para manter a menor distância possível entre os equipamentos elétricos e eletrônicos que precisam trocar informações e os fios de conexão entre a correia de ligação equipotencial.
De acordo com o teorema da indução, quanto maior a indutância, maior a tensão gerada pela corrente transitória no circuito; (U=L·di/dt> A indutância está principalmente relacionada ao comprimento do fio e tem pouco a ver com a seção transversal do fio. Portanto, deve ser mantido o fio terra o mais curto possível. Além disso, a conexão paralela de vários fios pode reduzir significativamente a indutância do sistema de compensação de potencial. Para colocar esses dois em prática, é teoricamente possível conectar todos os circuitos que deveriam estar conectados ao dispositivo de ligação equipotencial. Ele é conectado à mesma placa metálica do equipamento. Com base no conceito da placa metálica, a estrutura de linha, estrela ou malha pode ser usada quando o sistema de ligação equipotencial é adaptado. Em princípio, apenas a equipotencialidade em malha deve ser usada ao projetar novos sistemas de equipamentos—link.
2 Conecte as linhas de alimentação ao sistema de ligação equipotencial
A chamada tensão transitória ou corrente transitória significa que seu tempo de existência é apenas microssegundos ou nanossegundos. O princípio básico da proteção contra surtos é estabelecer um equipotencial entre todas as partes condutoras na área protegida por um breve período quando existir a sobretensão transitória. Tais elementos condutores também incluem linhas de energia em circuitos elétricos. Portanto, são necessários componentes que respondam mais rápido que microssegundos, especialmente para descarga eletrostática.
Até mais rápido que nanossegundos. Tais elementos são capazes de fornecer correntes poderosas de até várias vezes dez mil amperes em intervalos curtos de tempo. Ventos de até 50kA são calculados a pulsos de 10/350μS sob condições esperadas de impacto de raio. Por meio de um dispositivo completo de ligação equipotencial, uma ilha equipotencial pode ser formada rapidamente, e a diferença de potencial dessa ilha equipotencial em relação à distância pode chegar a centenas de milhares de volts. No entanto, o essencial é que, na área a ser protegida, todas as partes condutoras possam ser consideradas com potenciais quase iguais ou iguais sem diferenças significativas de potencial.
3 Instalação e funcionamento do protetor contra surtos
Os componentes elétricos de proteção contra surtos são divididos em macios e complexos em termos de características de resposta. Elementos de descarga com características de resposta dura incluem tubos de descarga de gás e descarregadores de gap de descarga, seja gaps angulares baseados na tecnologia de corte de arco ou gap de faísca de descarga coaxiais. Os elementos de descarga pertencentes às características de resposta suave incluem varistores e diodos supressores. (Nosso protetor contra surtos é uma resposta fraca.) A diferença entre esses componentes é a capacidade de descarga, as características de resposta e a tensão residual. Como esses componentes têm vantagens e desvantagens, as pessoas os combinam em circuitos especiais de proteção para promover pontos fortes e evitar fraquezas. Os protetores contra surtos mais usados em edifícios civis são principalmente para-surtos do tipo abertura de descarga e para-varas do tipo varistor.
Correntes de raio e correntes pós-raio exigem descargas extremamente fortes. Para conduzir a corrente de raio através do sistema de ligação equipotencial até o dispositivo de aterramento, recomenda-se o uso de para-raios de corrente com intervalos angulares de faísca, de acordo com a técnica de corte por arco. Somente ele pode conduzir uma corrente de pulso de 10/350μs superior a 50kA e realizar extinção automática por arco. A tensão nominal deste produto pode chegar a 400V. Além disso, esse arrestador não fará um fusível de 125A queimar quando a corrente de curto-circuito atingir 4kA.
Devido ao seu bom desempenho, as características de funcionamento ininterrupto dos instrumentos e equipamentos instalados na área protegida foram muito melhoradas. No entanto, deve-se ressaltar que não apenas a corrente com alta amplitude pode ser processada, mas, mais importante, a forma de pulso da corrente desempenha um papel decisivo. Ambos devem ser considerados simultaneamente. Portanto, embora a faísca angular também possa conduzir correntes de até 100kA, sua forma de pulso é mais curta (8/80μs). Esses pulsos são pulsos de corrente de impulso, que até outubro de 1992 foram a base de projeto para o desenvolvimento de para-raios de corrente.
Embora o para-corrente tenha boa capacidade de descarga, ele sempre apresenta suas limitações: sua tensão residual pode chegar a 2,5~3,5kV. Portanto, quando o para-raios é instalado como um todo, ele precisa ser usado em combinação com outros para-rajos.
Esses produtos incluem principalmente Limitor MB, Limitor NB-B, LimitorG-B, Limited GN-B da Asia Brown Boffary (ABB) companhia; DEHNportMaxi (10/350μs, 50kA/ fase), DEHNport255 (10/350μs, 75kA/fase); Gap de faísca angular do PHOENIX da Alemanha: FLT60-400 (fase 10/350μs, fase 60kA), FLT25-400 (fase 10/350μs, fase 25kA); Protetor contra surtos PRF1 da Schneider; Série VBF da MOELLER.
Varistores funcionam como tantos diodos supressores bidirecionais em série quanto em paralelo e funcionam como resistores dependentes da tensão. Quando a tensão excede a tensão especificada, o varistor pode conduzir eletricidade; Quando a tensão é menor que a tensão especificada, o varistor não conduz eletricidade. Dessa forma, o varistor pode desempenhar um papel perfeito de limitação de tensão. Varistores atuam extremamente rápido, com tempos de resposta na faixa de poucos nanossegundos.
O varistor comumente usado na fonte de alimentação pode conduzir corrente com um limite de 40kA8/20us de pulso, sendo muito adequado para o descarregador de segundo estágio da fonte de alimentação. Mas não é ideal como para-corrente de raio. Está registrado no documento IEC1024-1 do Comitê Internacional de Tecnologia de Elétrons que a quantidade de carga a ser processada é 10/350μs, o que equivale a 20 vezes a quantidade de carga no caso de um pulso de 8/20μs.
(10/350) μs=20xQ(8/20) μs
Pode-se ver por essa fórmula que é essencial prestar atenção não apenas à amplitude da corrente de descarga, mas também à forma do pulso. A desvantagem do varistor é que ele é fácil de envelhecer e tem alta capacitância. Além disso, o elemento do diodo é quebrado. Como, na maioria dos casos, ocorre um curto-circuito quando a junção PN está sobrecarregada, dependendo da frequência com que é carregada, o varistor começa a consumir correntes de fuga que podem causar erros em circuitos de teste insensíveis a dados de medição. Ao mesmo tempo, especialmente em voltagens altas, ele gerará um calor intenso durante o percurso.
A alta capacitância do varistor torna impossível seu uso em linhas de transmissão de sinal em muitos casos. A capacitância e a indutância dos fios formam um circuito passa-baixa que atenua significativamente o sinal. Mas a atenuação abaixo de cerca de 30kHz é insignificante. Esses produtos incluem principalmente o Limitor V, Limited VTS, Limitor VE, Limitor VETS, LimitorGE-S da ABB; protetores contra surtos substituíveis da série PRD da Schneider; os produtos VR7 e VS7 da MOELLER; DEHNguard385 da Alemanha (fase 8/20μs, 40kA), DEHNguard275 (fase 8/20μs, 40kA); VAL-MS400ST (8/20μs, fase 40kA), VAL-ME400ST/FM (8/20μs, 40kA/fase) de PHOENIX, Alemanha; Ma Shen DB30-4A/B (8/20μs, 30kA/fase), DB40-4A/B (8/20μs, fase 40kA).
4 Instalar um protetor contra surtos de acordo com o esquema de proteção contra sobretensão
Um conjunto (tipo de montagem trilho, tipo tomada, adaptador) que contenha um único elemento de proteção ou um circuito de proteção combinado integrado de acordo com as condições técnicas de instalação é chamado de descarregador.
A proteção contra sobretensão, em quase todos os casos, deve ser dividida em pelo menos dois níveis. Por exemplo, cada arrestador contendo apenas um nível de segurança pode ser instalado em diferentes locais da fonte de alimentação. O mesmo arrestador também pode ter múltiplos níveis de proteção. Para alcançar proteção adequada contra sobretensão, as pessoas precisarão proteger a faixa de diferentes divisões de compatibilidade eletromagnética, essa faixa de proteção, incluindo a zona de proteção contra raios 0 à zona de proteção contra sobretensão 1 a 3, até que a zona de proteção contra tensão de interferência tenha um número de série mais alto. As zonas de proteção de compatibilidade eletromagnética 0 a 3 são configuradas para evitar danos ao equipamento devido ao acoplamento de alta energia. A proteção de compatibilidade eletromagnética com um número de série mais alto é configurada para evitar distorção e perda de informação. Quanto maior o número da zona de proteção, menor a energia esperada de perturbação e o nível de tensão de distúrbio. Os equipamentos elétricos e eletrônicos que precisam de proteção são instalados em um anel de proteção muito eficaz. Esse anel de proteção pode ser para um único equipamento eletrônico, um espaço com múltiplos tipos de equipamentos eletrônicos ou até mesmo um prédio inteiro passando por ali. Fios que normalmente possuem um anel protetor blindado pelo espaço são conectados ao para-tensão de proteção ao mesmo tempo que o equipamento periférico do círculo de proteção.
No entanto, ele pode atender a todos os requisitos técnicos do para-correntes de raios, que pode conduzir corrente de pulso de 10/350μs com o nível técnico contemporâneo, do protetor de surtos plugável para distribuição secundária de energia, do dispositivo de proteção de energia elétrica e do filtro de energia. Portanto, a linha de produtos é escassa. Além disso, essa linha de produtos deve incluir para-chuvas para todos os circuitos, ou seja, além das fontes de alimentação, para medição, controle, circuitos de regulação técnica, circuitos de transmissão de processamento eletrônico de dados e comunicação sem fio e com fio, para que os clientes possam utilizá-los.
Uma breve introdução a vários produtos de proteção contra surtos comumente usados e uma breve análise de suas características e ocasiões aplicáveis são apresentadas.
1 Sistema de ligação equipotencial
O princípio básico da proteção contra sobretensão é que a sobretensão transitória ocorre no instante (nível microssegundo ou nanossegundo). Um equipotencial deve ser alcançado entre todas as partes metálicas na área protegida. "Equipotencial é o uso de fios de conexão ou protetores contra sobretensão para conectar dispositivos de proteção contra raios, estruturas metálicas de edifícios, condutores externos, dispositivos elétricos e de telecomunicações, etc., no espaço onde a proteção contra raios é necessária." ("Especificações para Projeto de Proteção contra Raios de Edifícios") (GB50057-94). "O objetivo da ligação equipotencial é reduzir a diferença de potencial entre partes metálicas e sistemas em espaços que exigem proteção contra raios" (IEC13123.4). "Código de Design de Proteção contra Raios para Edifícios" (GB50057-94) estipula: "Artigo 3.1.2 Para edifícios equipados com dispositivos de proteção contra raios, quando os dispositivos não podem ser isolados de outras instalações e pessoas no edifício, eles devem adotar a ligação equipotencial." Ao estabelecer essa rede de ligação equipotencial, deve-se ter cuidado para manter a menor distância possível entre os equipamentos elétricos e eletrônicos que precisam trocar informações e os fios de conexão entre a correia de ligação equipotencial.
De acordo com o teorema da indução, quanto maior a indutância, maior a tensão gerada pela corrente transitória no circuito; (U=L·di/dt> A indutância está principalmente relacionada ao comprimento do fio e tem pouco a ver com a seção transversal do fio. Portanto, deve ser mantido o fio terra o mais curto possível. Além disso, a conexão paralela de vários fios pode reduzir significativamente a indutância do sistema de compensação de potencial. Para colocar esses dois em prática, é teoricamente possível conectar todos os circuitos que deveriam estar conectados ao dispositivo de ligação equipotencial. Ele é conectado à mesma placa metálica do equipamento. Com base no conceito da placa metálica, a estrutura de linha, estrela ou malha pode ser usada quando o sistema de ligação equipotencial é adaptado. Em princípio, apenas a equipotencialidade em malha deve ser usada ao projetar novos sistemas de equipamentos—link.
2 Conecte as linhas de alimentação ao sistema de ligação equipotencial
A chamada tensão transitória ou corrente transitória significa que seu tempo de existência é apenas microssegundos ou nanossegundos. O princípio básico da proteção contra surtos é estabelecer um equipotencial entre todas as partes condutoras na área protegida por um breve período quando existir a sobretensão transitória. Tais elementos condutores também incluem linhas de energia em circuitos elétricos. Portanto, são necessários componentes que respondam mais rápido que microssegundos, especialmente para descarga eletrostática.
Até mais rápido que nanossegundos. Tais elementos são capazes de fornecer correntes poderosas de até várias vezes dez mil amperes em intervalos curtos de tempo. Ventos de até 50kA são calculados a pulsos de 10/350μS sob condições esperadas de impacto de raio. Por meio de um dispositivo completo de ligação equipotencial, uma ilha equipotencial pode ser formada rapidamente, e a diferença de potencial dessa ilha equipotencial em relação à distância pode chegar a centenas de milhares de volts. No entanto, o essencial é que, na área a ser protegida, todas as partes condutoras possam ser consideradas com potenciais quase iguais ou iguais sem diferenças significativas de potencial.
3 Instalação e funcionamento do protetor contra surtos
Os componentes elétricos de proteção contra surtos são divididos em macios e complexos em termos de características de resposta. Elementos de descarga com características de resposta dura incluem tubos de descarga de gás e descarregadores de gap de descarga, seja gaps angulares baseados na tecnologia de corte de arco ou gap de faísca de descarga coaxiais. Os elementos de descarga pertencentes às características de resposta suave incluem varistores e diodos supressores. (Nosso protetor contra surtos é uma resposta fraca.) A diferença entre esses componentes é a capacidade de descarga, as características de resposta e a tensão residual. Como esses componentes têm vantagens e desvantagens, as pessoas os combinam em circuitos especiais de proteção para promover pontos fortes e evitar fraquezas. Os protetores contra surtos mais usados em edifícios civis são principalmente para-surtos do tipo abertura de descarga e para-varas do tipo varistor.
Correntes de raio e correntes pós-raio exigem descargas extremamente fortes. Para conduzir a corrente de raio através do sistema de ligação equipotencial até o dispositivo de aterramento, recomenda-se o uso de para-raios de corrente com intervalos angulares de faísca, de acordo com a técnica de corte por arco. Somente ele pode conduzir uma corrente de pulso de 10/350μs superior a 50kA e realizar extinção automática por arco. A tensão nominal deste produto pode chegar a 400V. Além disso, esse arrestador não fará um fusível de 125A queimar quando a corrente de curto-circuito atingir 4kA.
Devido ao seu bom desempenho, as características de funcionamento ininterrupto dos instrumentos e equipamentos instalados na área protegida foram muito melhoradas. No entanto, deve-se ressaltar que não apenas a corrente com alta amplitude pode ser processada, mas, mais importante, a forma de pulso da corrente desempenha um papel decisivo. Ambos devem ser considerados simultaneamente. Portanto, embora a faísca angular também possa conduzir correntes de até 100kA, sua forma de pulso é mais curta (8/80μs). Esses pulsos são pulsos de corrente de impulso, que até outubro de 1992 foram a base de projeto para o desenvolvimento de para-raios de corrente.
Embora o para-corrente tenha boa capacidade de descarga, ele sempre apresenta suas limitações: sua tensão residual pode chegar a 2,5~3,5kV. Portanto, quando o para-raios é instalado como um todo, ele precisa ser usado em combinação com outros para-rajos.
Esses produtos incluem principalmente Limitor MB, Limitor NB-B, LimitorG-B, Limited GN-B da Asia Brown Boffary (ABB) companhia; DEHNportMaxi (10/350μs, 50kA/ fase), DEHNport255 (10/350μs, 75kA/fase); Gap de faísca angular do PHOENIX da Alemanha: FLT60-400 (fase 10/350μs, fase 60kA), FLT25-400 (fase 10/350μs, fase 25kA); Protetor contra surtos PRF1 da Schneider; Série VBF da MOELLER.
Varistores funcionam como tantos diodos supressores bidirecionais em série quanto em paralelo e funcionam como resistores dependentes da tensão. Quando a tensão excede a tensão especificada, o varistor pode conduzir eletricidade; Quando a tensão é menor que a tensão especificada, o varistor não conduz eletricidade. Dessa forma, o varistor pode desempenhar um papel perfeito de limitação de tensão. Varistores atuam extremamente rápido, com tempos de resposta na faixa de poucos nanossegundos.
O varistor comumente usado na fonte de alimentação pode conduzir corrente com um limite de 40kA8/20us de pulso, sendo muito adequado para o descarregador de segundo estágio da fonte de alimentação. Mas não é ideal como para-corrente de raio. Está registrado no documento IEC1024-1 do Comitê Internacional de Tecnologia de Elétrons que a quantidade de carga a ser processada é 10/350μs, o que equivale a 20 vezes a quantidade de carga no caso de um pulso de 8/20μs.
(10/350) μs=20xQ(8/20) μs
Pode-se ver por essa fórmula que é essencial prestar atenção não apenas à amplitude da corrente de descarga, mas também à forma do pulso. A desvantagem do varistor é que ele é fácil de envelhecer e tem alta capacitância. Além disso, o elemento do diodo é quebrado. Como, na maioria dos casos, ocorre um curto-circuito quando a junção PN está sobrecarregada, dependendo da frequência com que é carregada, o varistor começa a consumir correntes de fuga que podem causar erros em circuitos de teste insensíveis a dados de medição. Ao mesmo tempo, especialmente em voltagens altas, ele gerará um calor intenso durante o percurso.
A alta capacitância do varistor torna impossível seu uso em linhas de transmissão de sinal em muitos casos. A capacitância e a indutância dos fios formam um circuito passa-baixa que atenua significativamente o sinal. Mas a atenuação abaixo de cerca de 30kHz é insignificante. Esses produtos incluem principalmente o Limitor V, Limited VTS, Limitor VE, Limitor VETS, LimitorGE-S da ABB; protetores contra surtos substituíveis da série PRD da Schneider; os produtos VR7 e VS7 da MOELLER; DEHNguard385 da Alemanha (fase 8/20μs, 40kA), DEHNguard275 (fase 8/20μs, 40kA); VAL-MS400ST (8/20μs, fase 40kA), VAL-ME400ST/FM (8/20μs, 40kA/fase) de PHOENIX, Alemanha; Ma Shen DB30-4A/B (8/20μs, 30kA/fase), DB40-4A/B (8/20μs, fase 40kA).
4 Instalar um protetor contra surtos de acordo com o esquema de proteção contra sobretensão
Um conjunto (tipo de montagem trilho, tipo tomada, adaptador) que contenha um único elemento de proteção ou um circuito de proteção combinado integrado de acordo com as condições técnicas de instalação é chamado de descarregador.
A proteção contra sobretensão, em quase todos os casos, deve ser dividida em pelo menos dois níveis. Por exemplo, cada arrestador contendo apenas um nível de segurança pode ser instalado em diferentes locais da fonte de alimentação. O mesmo arrestador também pode ter múltiplos níveis de proteção. Para alcançar proteção adequada contra sobretensão, as pessoas precisarão proteger a faixa de diferentes divisões de compatibilidade eletromagnética, essa faixa de proteção, incluindo a zona de proteção contra raios 0 à zona de proteção contra sobretensão 1 a 3, até que a zona de proteção contra tensão de interferência tenha um número de série mais alto. As zonas de proteção de compatibilidade eletromagnética 0 a 3 são configuradas para evitar danos ao equipamento devido ao acoplamento de alta energia. A proteção de compatibilidade eletromagnética com um número de série mais alto é configurada para evitar distorção e perda de informação. Quanto maior o número da zona de proteção, menor a energia esperada de perturbação e o nível de tensão de distúrbio. Os equipamentos elétricos e eletrônicos que precisam de proteção são instalados em um anel de proteção muito eficaz. Esse anel de proteção pode ser para um único equipamento eletrônico, um espaço com múltiplos tipos de equipamentos eletrônicos ou até mesmo um prédio inteiro passando por ali. Fios que normalmente possuem um anel protetor blindado pelo espaço são conectados ao para-tensão de proteção ao mesmo tempo que o equipamento periférico do círculo de proteção.