Como funcionam os protetores contra surtos trifásicos na redução de surtos elétricos?

Em um sistema trifásico, a proteção contra surtos funciona detectando sobretensão anormal, mudando internamente de um estado de alta impedância para um estado de baixa impedância, desviando a corrente de surto para o caminho de aterramento ou ligação e limitando a tensão que atinge o equipamento conectado. Ele não “bloqueia” um surto. Ele reduz o pico de tensão, dando ao surto um caminho controlado longe de cargas sensíveis. O resultado é um estresse elétrico menor em isolamento, fontes de alimentação, unidades e eletrônicos de controle.

Os sistemas trifásicos precisam dessa abordagem ainda mais do que os sistemas monofásicos porque têm mais caminhos de surto possíveis. Os surtos podem aparecer linha-para-terra (L–G), linha para linha (L–L) e em sistemas com um neutro, às vezes neutro em terra (N–G). Um dispositivo de proteção contra surtos trifásico foi construído para gerenciar vários modos de sobretensão ao mesmo tempo, não apenas um.

Este artigo explica como os dispositivos de proteção contra surtos operam em sistemas de energia trifásicos, como desviam e limitam as sobretensões transitórias, como são usados os diferentes tipos de SPD (tipo 1, tipo 2 e tipo 3) e como a colocação e a coordenação afetam o desempenho da redução de surtos no mundo real.

O que significa “surto elétrico” em sistemas trifásicos 

Um surto elétrico, mais corretamente chamado de sobretensão transitória, é um aumento muito curto e rápido de tensão. Normalmente dura de microssegundos a alguns milissegundos. As duas fontes mais comuns são raios (sejam ataques diretos ou efeitos induzidos em linhas próximas) e comutação de eventos dentro do sistema elétrico.

Em instalações trifásicas industriais e comerciais, muitos surtos são criados internamente. Motores grandes, unidades de frequência variável, contatores e bancos de capacitores alternam energia significativa. Sempre que a corrente é interrompida ou redirecionada, a indutância do sistema pode gerar um pico de tensão. Isso significa que, mesmo que o fornecimento de serviços externos seja estável, uma instalação ainda pode ter sobretensões frequentes de transientes.

Como funciona um SPD trifásico 

Um dispositivo de proteção contra surtos, geralmente abreviado como SPD (dispositivo de proteção contra surtos), opera com um princípio simples, mas cuidadosamente projetado: permanece invisível durante a operação normal e se torna condutor apenas quando a tensão se torna perigosa.

Monitoramento e comportamento de limite

Em condições normais, os elementos de proteção internos do dispositivo estão em um estado de alta impedância. Isso significa que eles não desenham quase nenhuma corrente e não afetam o sistema de energia. O SPD está efetivamente “observando” a tensão continuamente.

Quando um transiente empurra a tensão acima de um nível de limite definido, o comportamento muda. Os elementos internos mudam rapidamente para um estado condutor. Essa comutação não é mecânica; acontece devido às propriedades elétricas dos componentes dentro do dispositivo.

Diversão (redirecionamento atual) + fixação

Uma vez que o SPD se torna condutor, ele cria um caminho controlado de baixa impedância entre o condutor energizado e o sistema de aterramento ou ligação. A corrente de surto prefere esse caminho de baixa impedância em vez de fluir por equipamentos sensíveis.

Ao mesmo tempo, o dispositivo limita a tensão de pico que pode aparecer em toda a carga. Isso é frequentemente chamado de “clampagem”. É importante entender que a tensão não é reduzida a zero. Uma certa tensão “residual” ou “leve-atraso” sempre permanece. O objetivo é manter essa tensão residual baixa o suficiente para que os sistemas de isolamento e os componentes eletrônicos não sejam danificados ou excessivamente tensionados.

Proteção multimodo em redes trifásicas

Em sistemas trifásicos, os surtos não aparecem de uma maneira. Um dispositivo prático deve lidar com vários caminhos de uma só vez:

• Linha para terra (L–G)
  
• Linha a linha (L–L)
  
• Em sistemas com um neutro, às vezes neutro para o solo (N–G)
  

Um dispositivo de proteção contra surtos trifásico é, portanto, disposto internamente para controlar esses modos juntos. Não pressupõe que um surto sempre faça referência ao solo. Muitos transientes prejudiciais em equipamentos trifásicos aparecem entre as fases.

Componentes-chave dentro de um dispositivo de proteção contra surtos trifásico 

mais moderno Dispositivos de proteção contra sur Conte com um pequeno número de componentes comprovados, organizados e coordenados para os níveis de tensão e corrente necessários.

O elemento ativo mais comum é o varistor de óxido metálico (MOV). Um MOV se comporta como uma resistência muito alta em uma tensão normal e como uma baixa resistência quando a tensão excede seu limite. Essa propriedade permite que o SPD mude de “não fazer nada” para “desviar corrente” em uma fração de microssegundos.

Como os MOVs e elementos semelhantes podem superaquecer ou degradar após muitos surtos fortes, um dispositivo prático também inclui uma desconexão térmica ou proteção semelhante. Isso evita que um componente com falha permaneça conectado ao sistema de maneira insegura. Muitos dispositivos também incluem indicadores simples, como uma janela ou LED, para mostrar se os elementos de proteção ainda estão conectados. Alguns projetos fornecem um contato remoto de alarme para que o status possa ser monitorado por um sistema de controle.

Um ponto prático crítico é que esses dispositivos não são permanentes. Cada vez que absorvem energia de surto, uma pequena quantidade de sua capacidade é usada. Ao longo de muitos eventos, eles se degradam lentamente. Esse comportamento “consumível” é normal e é a razão pela qual existem indicadores de condição.

Tipos de SPD em sistemas trifásicos 

Os termos para Tipos de SPD Descreva onde o dispositivo está instalado no sistema de energia e que tipo de ambiente de surto ele foi projetado para enfrentar. Eles não são níveis de qualidade; são categorias de aplicativos.

• Dispositivo de proteção contra surtos tipo 1: instalado na entrada ou muito perto da entrada de serviço, a montante da distribuição principal. Destina-se a lidar com surtos de alta energia provenientes de fora, como eventos relacionados a raios nas linhas de suprimento.
  
• Dispositivo de proteção contra surtos tipo 2: Instalado em painéis de distribuição, centros de controle de motor e placas internas semelhantes. É a escolha mais comum para proteger os painéis industriais e comerciais trifásicos de surtos de entrada e geração interna.
  
• Dispositivo de proteção contra surtos tipo 3: instalado perto de equipamentos sensíveis. Não se destina a lidar com grandes energias de surto por si só e depende de dispositivos upstream para reduzir o surto principal antes de vê-lo.

• FDS20C/4-275 Classe II
• Designação: tipo2
• Classificação: Classe II
• Modo de proteção: L→PE, N→PE
• Tensão nominal Un: 230 VAC/50(60)Hz
• máx. Tensão de operação contínua UC (L-N): 275 VAC/50(60)Hz
• Capacidade de suporte a curto-circuito: 20 ka
• IC de corrente de operação contínua: <20 µa
• PC de consumo de energia em espera: ≤25 MVA
• Corrente de descarga máxima (8/20μs) IMAX: 40 ka
• Corrente de descarga nominal (8/20μs) em: 20 ka
• Nível de proteção de tensão: ≤1,3 kV
• Resistência ao isolamento: ＞1000 mΩ
• Material da carcaça: UL94V-0
• Grau de proteção: IP20

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Em um sistema completo, esses tipos geralmente são combinados para que cada um lide com a parte da energia de surto para a qual é mais adequado.

Onde os SPDs trifásicos reduzem os surtos mais 

proteção contra surtos Funciona melhor quando é aplicado em etapas. Um dispositivo na entrada de serviço reduz a energia de grandes ondas de entrada antes que possam se espalhar pelo prédio. Os dispositivos nos painéis de distribuição reduzem a energia restante e também lidam com surtos criados por comutação interna. Finalmente, a proteção do ponto de uso pode lidar com os transientes menores e mais rápidos que permanecem.

Os detalhes da instalação física são muito importantes. A conexão entre o SPD e os barramentos ou condutores deve ser o mais curta e direto possível. Os cabos longos adicionam indutância e a indutância cria tensão adicional durante as mudanças de corrente rápida. Na prática, isso significa que mesmo um dispositivo de proteção contra surtos muito bom pode ter um desempenho ruim se for instalado com fios longos e em loop.

Como os SPDs trifásicos reduzem os surtos (visão geral da proteção encenada)

Esta tabela mostra a lógica da proteção encenada. Nenhum dispositivo é esperado para lidar com tudo. Cada localização reduz parte da energia de surto e da tensão de pico. Quando um transiente atinge a eletrônica sensível, sua amplitude e energia são muito menores do que na entrada de serviço.

Fatores de desempenho do mundo real 

O desempenho real dos dispositivos de proteção contra surtos em sistemas trifásicos depende de vários fatores práticos, não apenas do próprio dispositivo:

• A qualidade do sistema de aterramento e colagem afeta fortemente a facilidade com que a corrente de surto pode ser desviada do equipamento.
  
• Os condutores de conexão retos e curtos reduzem o aumento da tensão indutiva e melhoram o desempenho de fixação.
  
• A coordenação entre vários dispositivos de proteção contra surtos evita que um dispositivo atenda todo o estresse e o envelhecimento muito rapidamente.
  
• Em muitas instalações trifásicas, os surtos de comutação gerados internamente são mais frequentes do que os eventos relacionados com o raio e devem ser considerados na estratégia de proteção.
  

erros comuns 

Vários erros comuns de instalação e planejamento reduzem a eficácia da proteção contra surtos em sistemas reais:

• Usar apenas um dispositivo de proteção contra surtos para uma instalação inteira e assumir que ele protegerá tudo igualmente.
  
• Instalando o dispositivo longe do barramento ou com condutores longos e em loop que adicionam indutância desnecessária.
  
• Ignorando os surtos linha a linha e focando apenas em caminhos linha a terra em sistemas trifásicos.
  
• Usar apenas um dispositivo tipo 3 próximo ao equipamento sem qualquer proteção tipo 1 ou tipo 2.
  
• Assumindo que um indicador de status que mostre “OK” significa que o sistema está perfeitamente protegido contra todos os surtos possíveis.
  

Conclusão 

Em um sistema de energia trifásico, a proteção contra surtos funciona detectando uma sobretensão anormal, mudando para um caminho de baixa impedância, desviando a corrente de surto para o terra e limitando a tensão que atinge o equipamento. Reduz o estresse elétrico em vez de eliminar completamente os surtos. Como os sistemas trifásicos possuem múltiplos caminhos de surto, a proteção deve cobrir os modos linha a linha e linha para terra. Os resultados mais eficazes vêm do correto posicionamento, conexões curtas e coordenação entre os diferentes tipos de SPD. Aplicados corretamente, esses dispositivos reduzem significativamente as taxas de falhas e o tempo de inatividade, embora nenhum sistema possa remover todos os efeitos de surto.

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