Dispositivo de proteção contra surtos de corrente contínua

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

Princípio de funcionamento

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

Você pode dividir o funcionamento de um dispositivo de proteção contra surtos de CC da seguinte forma:

Detecção de surtos

Um dispositivo de proteção contra surtos de CC detectará um surto de tensão além de sua classificação no sistema de CC. Este dispositivo normalmente monitora o nível de tensão utilizando circuitos especiais para detectar surtos.

Grampo de tensão

Dispositivos de proteção contra surtos de CC utilizam componentes como varistores de óxido de metal (MOVs) ou tubos de descarga de gás (GDTs) para atingir o clampeamento de tensão. Esses componentes exibem alta resistência à tensão dentro dos limites normais, permitindo o fluxo normal de 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 através do dispositivo. O design dos varistores de óxido metálico (MOV) é tal que eles quebram em altas tensões, dissipando o surto como calor.

Classificação de DC SPD

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

SPDs automotivos

Dispositivos de proteção contra surtos em aplicações automotivas protegem sistemas eletrônicos e componentes em veículos de transientes destrutivos e surtos de tensão. Isso pode surgir devido a EMI, descarga de carga e retrocesso indutivo.

DC SPDs com varistores de óxido metálico (MOVs)

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

DC SPDs com tubos de descarga de gás (GDTs)

GDTs também são componentes de proteção contra surtos utilizados em DCSPDs, oferecendo tempos de resposta rápidos e capacidades de manuseio para alta corrente de surto. Esses DC SPDs encontram uso em aplicações DC com necessidade de proteção robusta contra surtos, como sistemas de telecomunicações.

DC SPDs com diodos de avalanche de silício (SADs)

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

Dispositivo de proteção contra surtos híbrido

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

Protetores de surtos fotovoltaicos

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

Características do DC SPD

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

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

Classificação de tensão

Dispositivos de proteção contra surtos de CC usam classificações de voltagem diferentes que correspondem ao sistema de energia CC específico que pretendem proteger. Selecionar um DC SPD cuja classificação de voltagem 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 para passar 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 DC SPDs com tensões de fixação mais baixas, pois elas limitam a quantidade de tensão acessível ao equipamento. Consequentemente, oferece melhor proteção ao equipamento alimentado por DC.

Manuseio 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. DC SPDs são projetados para gerenciar correntes de surto específicas, 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 na reação a um evento de surto. Os SPDs de CC com tempo de resposta rápido fornecem proteção mais rápida contra surtos, iniciando o desvio de corrente de surto mais cedo, reduzindo a probabilidade de danos.

Comparando DC SPD com AC SPD

A principal diferença entre dispositivos de proteção contra surtos CC e CA é baseada no sistema de energia em uso. Como tal, há pequenas divergências entre os dois em relação a classificações de tensão, capacidades de manuseio de surtos, tempos de resposta e padrões.

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

Manipulação de frequência

Dispositivos de proteção contra surtos usados em sistemas DC não têm especificações de frequência graças à constância da tensão DC. Por outro lado, aqueles em sistemas AC têm diferentes necessidades de frequência, exigindo diferentes manuseios.

Sensibilidade de polaridade

Dispositivos de proteção contra surtos em sistemas DC são sensíveis a polaridade, exigindo instalação com alinhamento de terminal correto. Devido à direção de tensão em constante mudança em sistemas AC, eles não têm designações de terminal específicas.

Detecção de surtos e fixação

Dependendo do design do sistema, tanto os SPDs DC quanto os AC irão neutralizar surtos de tensão absorvendo-os ou desviando-os para um nível seguro. No entanto, 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 voltagem específicas para os sistemas em que estão em uso. A maioria dos sistemas de CC tem classificações de voltagem mais baixas do que os sistemas de CA, que podem chegar a 400 V.

Tipo de voltagem

É a diferença fundamental entre os DPS CC projetados para sistemas de corrente contínua e os DPS CA para sistemas de corrente alternada.

Parâmetros principais do DC SPD

Os parâmetros de um dispositivo de proteção contra surtos de CC definem seu desempenho e adequação em um sistema 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 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 através dele. Ter uma corrente de fuga baixa é preferível, pois resulta em dissipação de calor reduzida e perda de energia.
• Tensão máxima de operação contínua: Define a tensão CC acima da qual o dispositivo de proteção contra surtos é ativado, dependendo da tensão nominal do sistema.
• Corrente de descarga nominal: Descreve o maior valor de corrente que um dispositivo de proteção contra surtos CC pode descarregar quando ocorre um evento de surto.
• Faixa de temperatura operacional: Define as temperaturas dentro das quais o dispositivo de proteção contra surtos de CC pode ter desempenho ótimo. Este parâmetro é específico da aplicação, especialmente quando o sistema de CC que precisa de proteção é operado em condições extremas de temperatura.
• Nível de proteção de tensão: Representa a tensão máxima através dos terminais de um dispositivo de proteção contra surtos DC ativado. Ela é alcançada quando a corrente que passa pelo dispositivo de proteção contra surtos corresponde à da descarga nominal.

Componentes primários em um DC SPD

Dispositivos de proteção contra surtos de CC empregam vários componentes eletrônicos para mitigar surtos de alta tensão. Esses componentes podem ser categorizados em diferentes tipos, alguns utilizando uma combinação de tecnologias para alavancar pontos fortes.

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

• Tubo de descarga de gás (GDT)

Consiste em duas placas negativas frias encerradas dentro de 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.

• Diodo de supressão de tensão transitória (TVS)

São diodos especiais que operam na zona de ruptura designada reversa. Eles prendem e regulam a tensão. Sua tensão de fixação reduzida e resposta rápida permitem seu uso em circuitos de proteção que são multiníveis como uma camada final.

• Varistor de óxido metálico (MOV)

O MOV é um semicondutor que utiliza óxido de zinco como óxido metálico exibindo resistência não linear. Flutuações de voltagem refletem uma mudança no valor de resistência com um princípio operacional similar a múltiplas junções PN conectadas em série e paralelo.

• Folga de faísca

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

• Bobina de estrangulamento

Utiliza um núcleo de ferrite compreendendo um par de bobinas simetricamente enroladas com tamanho e contagem 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 do sinal de modo diferencial.

Vantagens de usar um DC SPD

Ao empregar SPDs CC, as vulnerabilidades dos sistemas alimentados por CC a surtos de tensão podem ser efetivamente mitigadas, 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:

i. Proteção de Equipamentos: Este é o principal benefício de configurar seu sistema DC com um dispositivo de proteção contra surtos. Ele desvia ou suprime surtos excessivos de tensão, protegendo o equipamento contra danos.

ii. Vida útil estendida do equipamento: Evitar os efeitos danosos de surtos por DC SPDs permite que o equipamento funcione por mais tempo. Caso contrário, o equipamento desprotegido sucumbe facilmente a surtos de tensão, resultando em danos ou impedimento de desempenho.

iii. Garantia de segurança: Quando ocorrem eventos de surtos, eles representam riscos à segurança, especialmente em ambientes industriais que utilizam fontes de CC com alta energia. Ao absorver ou redirecionar a energia de surtos, esses dispositivos reduzem o potencial de falhas elétricas, incêndios ou outros riscos à segurança.

iv. Confiabilidade do sistema: Dispositivos de proteção contra surtos contribuem para a melhoria da confiabilidade do sistema DC em sua função de proteção. Eles reduzem o risco de falha do equipamento, ajudando a manter a operação contínua e minimizar interrupções.

Fatores a considerar ao selecionar um SPD

Ao escolher um dispositivo de proteção contra surtos de CC, certifique-se de que ele seja compatível com seu sistema, oferecendo a você a proteção desejada. Dessa forma, você se beneficiará de seu papel na minimização de riscos potenciais associados a transientes de tensão.

Alguns fatores importantes a serem considerados incluem:

• 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.
• Reputação do fabricante: Pesquise sobre o fabricante e avalie sua reputação e confiabilidade na produção de SPDs de alta qualidade e no fornecimento de excelente suporte ao cliente.
• 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 quer um tempo de resposta breve para lidar rapidamente com os transientes e compensar qualquer dano iminente.
• Conformidade com os padrões: Verifique se o dispositivo de proteção contra surtos de CC está em conformidade com os padrões industriais necessários. Esses padrões garantem que o dispositivo de proteção contra surtos que você está comprando atenda aos critérios de desempenho.
• Capacidade de corrente de surto: Avalie a capacidade esperada de corrente de surto do DC SPD para garantir que ele possa lidar efetivamente com surtos sem ser sobrecarregado.
• Classificação de voltagem: A tensão operacional máxima do seu sistema DC determina a classificação de tensão do seu DC SPD. Ele deve corresponder ou exceder esse valor se for para fornecer proteção eficaz contra surtos.

Instalando um DC SPD

A instalação de um dispositivo de proteção contra surtos de CC deve ser realizada com cuidado para evitar desempenho ineficaz e até mesmo danos. Ao realizar a instalação, tenha em mente o modelo, as características do sistema e as regulamentações locais.

Aqui estão algumas das principais considerações para 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 acesso durante manutenção e inspeção.
2. Siga as instruções fornecidas pelo fabricante na montagem do dispositivo de proteção contra surtos de CC. Fixe-o firmemente em uma superfície apropriada, utilizando hardware e folgas apropriados para dissipação de calor e ventilação adequadas.
3. Conecte o dispositivo de proteção contra surtos de CC ao sistema de energia conforme as instruções usando cabos ou condutores padrão. Eles devem ser seguros com terminações adequadas e capazes de lidar com a corrente máxima esperada.
4. Configure um sistema de aterramento confiável e de baixa resistência para auxiliar no desvio seguro de correntes de surto pelo DC SPD.

Testando um dispositivo de proteção contra surtos de CC

Testar um dispositivo de proteção contra surtos de CC verifica sua funcionalidade, garantindo que ele possa efetivamente oferecer proteção 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:

• Teste de resistência de isolamento: Aqui, você desconecta o SPD da fonte DC e mede a resistência entre os terminais do dispositivo e do aterramento. Isso garante que caminhos de vazamento ou falhas estejam ausentes.
• Teste de queda de tensão: Este teste garante que a queda de tensão esteja dentro dos limites especificados. Você conecta o dispositivo a uma fonte DC antes de aplicar a tensão nominal e medi-la.
• Teste de surto: Aqui, você simula surtos transitórios aplicando impulsos de surto ao dispositivo de proteção contra surtos. Depois, examine as formas de onda comparando-as com as especificações do teste.

Padrões usados para DC SPD

Os padrões asseguram a qualidade, confiabilidade e segurança dos dispositivos de proteção contra surtos de CC. Eles são fornecidos por órgãos reguladores e incluem:

• ANSI/IEEE45: Fornece uma perspectiva sobre o desempenho do teste de surtos dos dispositivos de proteção contra surtos em um sistema CC.
• CEI61643-11: Discute os métodos de teste e requisitos específicos para SPDs CC conectados a sistemas de baixa tensão.
• CEI61643-21: Oferece um guia para métodos de teste específicos para SPDs CC usados em redes de sinalização e telecomunicações.
• CEI61643-22: Descreve a seleção e a aplicação de SPDs CC usados em redes de telecomunicações e transmissão.
• Laboratórios Underwriters(UL) 1449: Descreve procedimentos de segurança e desempenho para SPDs CC.

Aplicações do DC SPD

O papel dos SPDs CC na proteção de equipamentos contra surtos de tensão é exemplificado em diferentes aplicações, conforme a seguir:

i. Centros de Dados: Os SPDs DC são essenciais na prevenção de perda de dados e danos a equipamentos em dispositivos de armazenamento, equipamentos de rede e servidores.

ii. Sistemas de Controle Industrial: Usado em dispositivos de controle que utilizam energia CC, como sensores, controladores lógicos programáveis (CLPs) e acionamentos de motores.

iii. Energia renovável: A geração de energia eólica e as instalações fotovoltaicas para energia solar utilizam SPDs CC para proteger componentes eletrônicos sensíveis, como inversores.

iv. Sistemas de armazenamento: Os SPDs CC em sistemas de armazenamento que utilizam energia de bateria protegem bancos de baterias, sistemas de monitoramento e equipamentos de conversão de energia.

v. Telecomunicações: Os SPDs CC são incorporados em instalações de comunicação e data centers para proteger equipamentos críticos, como linhas de transmissão de dados e fontes de alimentação.

vi. Sistemas de Transporte: Veículos elétricos, bondes, 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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