Me impulsó a escribir este texto la sensación de que muchas personas no conocen los principios de funcionamiento, el uso (o incluso el desconocimiento de la existencia) de protección paralela contra sobretensiones en la red, incluidas las provocadas por rayos.
El ruido de pulso en la red es bastante común; puede ocurrir durante una tormenta, al encender/apagar cargas potentes (dado que la red es un circuito RLC, se producen oscilaciones que causan sobretensiones) y muchos otros factores. En los circuitos de baja corriente, incluidos los digitales, esto es aún más relevante, ya que el ruido de conmutación penetra bastante bien a través de las fuentes de alimentación (los convertidores flyback son los más protegidos; en ellos, la energía del transformador se transfiere a la carga cuando se desconecta el devanado primario). de la red).
En Europa, desde hace tiempo es obligatorio de facto instalar módulos de protección contra sobretensiones (en adelante, por simplicidad, los llamaré protección contra rayos o SPD), aunque sus redes son mejores que las nuestras y hay menos áreas de rayos.
El uso de SPD se ha vuelto particularmente relevante en los últimos 20 años, cuando los científicos comenzaron a desarrollar cada vez más variantes de transistores de efecto de campo MOSFET, que tienen mucho miedo de exceder el voltaje inverso. Y estos transistores se utilizan en casi todas las fuentes de alimentación conmutadas de hasta 1 kVA, como interruptores en el lado primario (de red).
Otro aspecto del uso de SPD es proporcionar limitación de voltaje entre los conductores neutro y de tierra. Puede producirse una sobretensión en el conductor neutro de la red, por ejemplo, al conmutar un interruptor de transferencia con un neutro dividido. Durante la conmutación, el conductor neutro estará “en el aire” y podría haber cualquier cosa sobre él.

Características de las sobretensiones.

Los dispositivos de protección se dividen en clases según la potencia de impulso que pueden disipar:
1) Clase 0 (A) - protección externa contra rayos (no considerada en este post);
2) Clase I (B): protección contra sobretensiones caracterizadas por corrientes pulsadas con una amplitud de 25 a 100 kA con una forma de onda de 10/350 μs (protección en los cuadros de distribución de entrada del edificio);
3) Clase II (C): protección contra sobretensiones caracterizadas por corrientes pulsadas con una amplitud de 10 a 40 kA con una forma de onda de 8/20 μs (protección en paneles de piso, paneles eléctricos de locales, entradas de equipos de suministro de energía);
3) Clase III (D): protección contra sobretensiones caracterizadas por corrientes pulsadas con una amplitud de hasta 10 kA con una forma de onda de 8/20 μs (en la mayoría de los casos, la protección está integrada en el equipo, si se fabrica de acuerdo con GOST);

Dispositivos de protección contra sobretensiones

pararrayos

La elección de una vía de chispas es un proceso bastante creativo con numerosos “escupidos al techo”; después de todo, no sabemos de antemano el valor de la corriente que surgirá en la red...
Al elegir una vía de chispas, puede guiarse por las siguientes reglas:
1) Al instalar protección en tableros de entrada de líneas eléctricas aéreas o en áreas donde las tormentas son frecuentes, instale pararrayos con una corriente de descarga máxima (10/350) μs de al menos 35 kA;
2) Elija el voltaje máximo a largo plazo ligeramente más alto que el voltaje de red máximo esperado (de lo contrario, existe la posibilidad de que con un voltaje de red alto, la vía de chispas se abra y falle debido al sobrecalentamiento);
3) Seleccionar descargadores con la tensión límite más baja posible (se deben seguir las reglas 1 y 2). Normalmente, la tensión límite de los descargadores de clase I es de 2,5 a 5 kV;
4) Instalar descargadores específicamente diseñados para este fin entre los conductores N y PE (los fabricantes indican que son para conexión a conductores N-PE). Además, estos descargadores se caracterizan por voltajes de funcionamiento más bajos, generalmente del orden de 250 V CA (no hay ningún voltaje entre el neutro y tierra en modo normal) y una gran corriente de descarga, de 50 kA a 100 kA y más alto.
5) Conectar los descargadores a la red con conductores de sección mínima de 10 mm2 (incluso si los conductores de la red tienen una sección menor) y una longitud lo más corta posible. Por ejemplo, si aparece una corriente de 40 kA en un conductor de 2 metros de largo con una sección transversal de 4 mm2, caerán sobre él unos 350 V (en el caso ideal, sin tener en cuenta la inductancia, y esto juega un papel importante aquí). Si se conecta una vía de chispas a dicho conductor, entonces en el punto de conexión a la red el voltaje límite será igual a la suma del voltaje límite del pararrayos y la caída de voltaje a través del conductor con una corriente de pulso (). nuestro 350 V). Por tanto, las propiedades protectoras se deterioran significativamente.
6) Si es posible, instale descargadores delante del disyuntor de entrada y siempre delante del RCD (en este caso, es necesario instalar un fusible con característica gL para una corriente de 80-125 A en serie con el descargador para asegurarse de que el descargador esté desconectado de la red si falla). Dado que nadie le permitirá instalar un SPD frente al disyuntor de entrada, es deseable que el disyuntor tenga una corriente de al menos 80 A con una característica de respuesta de D. Esto reducirá la probabilidad de un funcionamiento incorrecto del disyuntor cuando se activa el descargador. La instalación de un SPD delante del RCD se debe a la baja resistencia del RCD a las corrientes de pulso, además, cuando se activa el descargador N-PE, el RCD se disparará en falso; Además, es recomendable instalar SPD frente a los medidores de electricidad (lo cual, nuevamente, los ingenieros de energía no le permitirán hacer)

varistor

En el estado inicial, el varistor tiene una alta resistencia interna (desde cientos de kOhmios hasta decenas y cientos de MOhmios). Cuando el voltaje en los contactos del varistor alcanza un cierto nivel, reduce drásticamente su resistencia y comienza a conducir una corriente significativa, mientras que el voltaje en los contactos del varistor cambia ligeramente. Al igual que un descargador de sobretensiones, un varistor es capaz de absorber la energía de un impulso de sobretensión que dura hasta cientos de microsegundos. Pero con un aumento prolongado de voltaje, el varistor falla y libera una gran cantidad de calor (explota).
Todos los varistores montados en carril DIN están equipados con protección térmica diseñada para desconectar el varistor de la red en caso de sobrecalentamiento inaceptable (en este caso, se puede determinar a partir de la indicación mecánica local que el varistor ha fallado).
La foto muestra varistores con un relé térmico incorporado después de que la tensión de funcionamiento haya superado diferentes valores. Si hay una sobretensión significativa, dicha protección térmica incorporada es prácticamente ineficaz: los varistores explotan y bloquean los oídos. Sin embargo, la protección térmica incorporada en los módulos de varistores sobre carril DIN es bastante efectiva ante cualquier sobretensión prolongada, y consigue desconectar el varistor de la red.

Un breve video de pruebas naturalistas :) (suministro de voltaje aumentado a un varistor con un diámetro de 20 mm - un exceso de 50 V)

Principales características de los varistores:
1) Clase de protección (ver arriba). Normalmente, los varistores tienen clases de protección II (C), III (D);
2) Tensión de funcionamiento nominal: tensión de funcionamiento a largo plazo del varistor recomendada por el fabricante;
3) tensión alterna máxima de funcionamiento: la tensión máxima a largo plazo del varistor, a la que se garantiza que no se abrirá;
4) Corriente máxima de descarga de pulso (8/20) μs: el valor máximo de la amplitud de corriente con una forma de onda (8/20) μs, en el cual el varistor no fallará y garantizará la limitación de voltaje a un nivel determinado;
5) Corriente nominal de descarga de pulso (8/20) μs: el valor nominal de la amplitud de corriente con una forma de onda (8/20) μs, en el cual el varistor proporcionará limitación de voltaje a un nivel determinado;
6) Voltaje límite: el voltaje máximo en el varistor cuando se abre debido a la aparición de un pulso de sobretensión;
7) Tiempo de respuesta: tiempo de apertura del varistor (para casi todos los varistores, menos de 25 ns);
8) (un parámetro rara vez indicado por los fabricantes) voltaje de clasificación del varistor: voltaje estático (que cambia lentamente con el tiempo), en el que la corriente de fuga del varistor alcanza 1 mA. Se mide aplicando un voltaje constante. En la mayoría de los casos, es entre un 15 y un 20 % superior a la tensión alterna máxima de funcionamiento reducida a constante (tensión alterna multiplicada por la raíz de 2);
9) (un parámetro muy raramente indicado por los fabricantes) el error permitido de los parámetros del varistor es ±10% para casi todos los varistores. Este error debe tenerse en cuenta al elegir la tensión máxima de funcionamiento del varistor.

La elección de varistores, así como de pararrayos, está plagada de dificultades asociadas con las condiciones desconocidas de su funcionamiento.
Al elegir la protección de varistor, puede guiarse por las siguientes reglas:
1) Los varistores se instalan como segunda o tercera etapa de protección contra sobretensiones;
2) Cuando se utiliza protección de varistores de clase II junto con protección de clase I, es necesario tener en cuenta las diferentes velocidades de respuesta de varistores y descargadores. Dado que los descargadores son más lentos que los varistores, si el SPD no coincide, los varistores absorberán la mayor parte del pulso de sobretensión y fallarán rápidamente. Para coordinar las clases de protección contra rayos I y II, se utilizan bobinas de choque especiales (los fabricantes de ultrasonidos tienen una variedad de ellas para tales casos), o la longitud del cable entre los SPD de las clases I y II debe ser de al menos 10 metros. La desventaja de esta solución es la necesidad de incorporar bobinas de choque en la red o ampliarla, lo que aumenta su componente inductivo. La única excepción es el fabricante alemán PhoenixContact, que ha desarrollado descargadores especiales de clase I con el llamado "encendido electrónico", que "se combinan" con módulos varistores del mismo fabricante. Estas combinaciones de SPD se pueden instalar sin aprobación adicional;
3) Seleccione la tensión continua máxima ligeramente superior a la tensión de red máxima esperada (de lo contrario, existe la posibilidad de que, con una tensión de red alta, el varistor se abra y falle debido a un sobrecalentamiento). Pero aquí no se puede exagerar, ya que la tensión límite del varistor depende directamente de la tensión de clasificación (y, por tanto, de la tensión máxima de funcionamiento). Un ejemplo de elección fallida de la tensión máxima de funcionamiento son los módulos varistor IEK con una tensión continua máxima de 440 V. Si se instalan en una red con una tensión nominal de 220 V, su funcionamiento será extremadamente ineficiente. Además, se debe tener en cuenta que los varistores tienden a “envejecer” (es decir, con el tiempo, con muchas operaciones del varistor, su voltaje de clasificación comienza a disminuir). Lo óptimo para Rusia sería el uso de varistores con una tensión de funcionamiento a largo plazo de 320 a 350 V;
4) Debe seleccionar uno con el voltaje límite más bajo posible (en este caso, se deben seguir las reglas 1 - 3). Normalmente, el voltaje límite de los varistores de clase II para voltajes de línea es de 900 V a 2,5 kV;
5) No conecte varistores en paralelo para aumentar la disipación de potencia total. Muchos fabricantes de dispositivos de protección contra sobretensiones (especialmente la clase III (D)) pecan al conectar varistores en paralelo. Pero, como no existen varistores 100% idénticos (incluso del mismo lote son diferentes), uno de los varistores siempre resultará ser el eslabón más débil y fallará durante un pulso de sobretensión. Con pulsos posteriores, los varistores de cadena restantes fallarán, ya que ya no proporcionarán la potencia de disipación requerida (esto es lo mismo que conectar diodos en paralelo para aumentar la corriente total; esto no se puede hacer)
6) Conectar los varistores a la red con conductores de sección mínima de 10 mm2 (aunque los conductores de red tengan una sección menor) y de longitud lo más corta posible (el razonamiento es el mismo que para los descargadores).
7) Si es posible, instale varistores delante del disyuntor de entrada y siempre delante del RCD. Dado que nadie le permitirá instalar un SPD frente al disyuntor de entrada, es deseable que el disyuntor tenga una corriente de al menos 50 A con una característica de respuesta de D (para varistores de clase II). Esto reducirá la probabilidad de un funcionamiento incorrecto de la máquina cuando se active el varistor.

Breve descripción general de los fabricantes de SPD

Dejaremos para más adelante el uso de protectores contra sobretensiones clase III (D) y la protección de circuitos digitales de dispositivos.
En conclusión puedo decir que si después de leer todo te quedan más dudas que después de leer el título, esto es bueno, porque el tema te interesa, y es tan amplio que podrías escribir más de un libro.

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