Como integrar dispositivos de proteção contra surtos?

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From Delphine Legendre | January 30, 2018 – Phoenix Contact France

Adaptado por: Marco Aurelio Duarte
Gerente de Produtos Phoenix Contact Brasil

A eficácia de um conceito de proteção contra surtos não depende somente da qualidade e da escolha de um supressor de surto, mas também a sua implementação tem um papel importante no desempenho.

Um conceito abrangente de proteção leva em consideração tanto a proteção de energia quanto dos demais sinais de instrumentação, dados e links de rádio.

Surtos transitórias podem se originar de acoplamentos eletromagnéticos ou descargas atmosféricas. Distúrbios de alta frequência são difíceis de reproduzir dada a origem aleatória dos fenômenos. No entanto, a padronização permite avaliar os riscos, seus efeitos no equipamento e estimar as magnitudes físicas.

A fim de comparar os sistemas de proteção contra surtos e determinar os parâmetros dos DPS (Dispositivo de Proteção contra Surtos) para diferentes aplicações, os impulsos padronizados são definidos. A onda 10/350µs é levada em conta para correntes de raios diretas ou próximas, de acordo com a norma IEC62305-1 (NBR5419-1:2015). Permite verificar a resistência ao choque dos DPS Classe 1, de acordo com a norma IEC61643-11. A onda 8/20μs é usada para medir a resistência ao impacto de DPS Classe 2.

Para definir proteção para sinais de instrumentação, dados e links de rádio, são utilizadas as mesmas ondas de teste.

A onda de choque responde a vários parâmetros, como a borda ascendente e a duração do valor médio. A origem deste tipo de perturbação é o acoplamento que pode ser galvânico, indutivo ou capacitivo.

Cada circuito requer um esquema de proteção especial. Com sua capacidade e indutância definidas, os diagramas permitem uma adaptação ideal de acordo com as frequências transmitidas.

A definição das características de uma proteção contra surtos elétricos é baseada na análise e estimativa das perturbações esperadas. A análise de risco de descargas atmosféricas de acordo com a norma IEC62305-2 (NBR5419-2:2015) que permite calcular o nível de proteção a ser alcançado, dependendo dos fatores ambientais e da criticidade dos sistemas a serem protegidos.

Se a borda ascendente representa o pico de uma meia onda de uma oscilação sinusoidal (T/4), isso resulta, por exemplo, para um pulso de 8/20μs de duração de um período de oscilação de T=4 × 8 μs = 32μs. Com f=1/T, teremos uma frequência máxima de f = 31,25 kHz, e consequentemente, circuitos de desacoplamento ôhmico não serão eficientes para efetuar a coordenação entre os diferentes níveis de proteção.

Princípio do esquema de proteção com estágio:

No que diz respeito às Zonas de Proteção contra Raios que correspondem a volumes em que o nível de perturbação deve ser limitado a valores padronizados e não perigosos para o equipamento, um ou mais DPS devem ser fornecidos.

Vários princípios são possíveis dependendo da configuração da instalação. A figura abaixo mostra o princípio geral.

Princípio geral de proteção contra raios

Diferentes tipos de DPS podem ser necessários. Eles podem ser coordenados pela distância de cabos da instalação (DPS independentes) ou com múltiplos estágios (DPS combinados).

Sistema multi-estágio – DPS´s Independentes

Sistema multi-estágio – DPS´s combinados

De acordo com a IEC61643-21, diferentes tipos de testes podem ser realizados.

 “A tabela abaixo demonstra a forma de classificação de DPS para sinais que é diferente da classificação de DPS de energia. “

Detalhes das ondas de choque de corrente e tensão usadas para avaliar a resistência ao choque de DPS para sinais.

Como estimar a amplitude de um distúrbio?

Cada circuito representa uma indutância além de sua resistência. Para um condutor de cobre redondo, uma indutância L ‘= 1 μH/m é considerada.

Isso significa que a indutância total de um condutor de comprimento “I” será calculada de acordo com L = L.1 μH / m.

As quedas de tensão indutiva são observadas de acordo com a lei das indutâncias U = L*di/dt, onde di/dt fornece a taxa de variação da corrente.

Isto é bem representado pela tangente de evolução, na qual o quociente diferencial Δi/Δt substitui o quociente diferencial di/dt.

O estudo a seguir mostra que a eficácia de uma proteção de sinal deve levar em consideração quedas de tensão indutiva na fiação.

Uma fonte de alimentação eletrônica pode suportar até 4kA de acordo com a onda de corrente 8/20μs definida de acordo com a IEC62305-1. Isso representa um valor importante. A onda de choque tem um tempo de subida de t = 8μs. Aproximadamente o valor da corrente máxima i = 4kA é alcançado em 8μs, isto é, i / Δt = 4kA / 8μs. De acordo com a teoria.

Os exemplos práticos a seguir mostram as vantagens e desvantagens de diferentes configurações de instalação. Em todos os 3 casos, o pé de metal do DPS de sinal está em  conexão direta com o trilho DIN e que estabelece uma boa referência potencial para o equipamento a ser protegido e que está montado em uma estrutura comum.

A entrada do dispositivo a ser protegido é conectada ao lado “OUT” da proteção. A ligação equipotencial à terra é modelada por indutâncias para realizar um estudo dinâmico.

A tensão UE corresponde ao valor entre os componentes eletrônicos. Durante uma onda de choque, esta tensão deve ser sempre menor que a resistência a tensão de impulso da eletrônica a ser protegida.

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Na figura abaixo, a conexão de terra da eletrônica é realizada separadamente para a referência equipotencial.

De acordo com a lei das malhas o resultado para o UE será:

Esquema inadequado – Ineficiente (Figura 7)

Após a ignição do centelhador do gás, nenhuma corrente flui através do indutor L2, de modo que a tensão UL2 permanece aqui em 0V.

Uma conexão de terra de 3m entre o DPS e a referência equipotencial é frequentemente realizada na prática. O resultado para a UE será:

Para a tensão residual UGDT do DPS, a tensão é adicionada a UL1 = 1500V. Para os descarregadores de gás, a tensão varia entre 10 e 35V. Se o UE exceder a tensão de resistência a tensão de impulso do dispositivo a ser protegido, há destruição do equipamento.

Aqui, a conexão à terra do dispositivo a ser protegido também é feita separadamente, mas é feita uma interconexão entre o dispositivo a ser protegido e a referência do DPS de sinais.

 

Diagrama geralmente praticado – Não é eficaz! (Figura 8)

Assume-se aqui que a corrente de surto se divide simetricamente sobre as duas conexões de terra L1 e (L2 + L3) com IST = I / 2.

Segundo a lei das malhas, deduz-se que:

Se considerarmos um comprimento de interligação de 3m entre o DPS e o dispositivo a ser protegido, para a tensão residual UGDT do DPS, a tensão é somada, assim ULI = 750V. Se este valor exceder a existência a tensão de impulso do dispositivo a ser protegido, haverá destruição.

Nesta última figura, a conexão à terra do dispositivo a ser protegido é feita diretamente pelo DPS.

Esquema ideal – O único eficaz! (Figura 9)

De acordo com a lei dos pontos, segue-se que:

Nenhuma corrente flui através do indutor L3, de modo que a tensão UL3 tem um valor de zero.

Assim, UE = UGDT. Para que a proteção seja eficaz, o nível de proteção do DPS deve ser sempre menor que a resistência a tensão de impulso máxima do dispositivo a ser protegido.

 

Conclusão: proteger um dispositivo eletrônico de maneira eficaz não é apenas escolher um supressor de surto de boa qualidade!

  • Se a conexão for feita conforme descrito na Fig. 7, o dispositivo será sempre destruído. Essa configuração é encontrada quando as proteções estão localizadas fora do gabinete onde os dispositivos a serem protegidos estão localizados.
  • A configuração da fig.8 é frequentemente vista na prática. Ou seja, a conexão de terra do equipamento é feita diretamente pelo cabo de energia. Neste caso, é imperativo limitar, na medida do possível, a distância entre a proteção e a eletrônica.
  • Somente a configuração da fig.9 garante boa proteção. No entanto, deve-se ter o cuidado de limitar a distância entre a proteção e a eletrônica, a fim de evitar o risco de acoplamento.

 

Esta é a maneira ideal de conectar um DPS de sinais.

A equipotencialidade do dispositivo a ser protegido vem diretamente do secundário do DPS de sinais. Esse truque certamente garante que o DPS detectará o surto primeiro. A tensão através do dispositivo não excederá a tensão limite do DPS conectado. No entanto, deve-se ter o cuidado de limitar o comprimento do cabo (<10 metros) entre o DPS e o dispositivo, a fim de evitar qualquer risco de indução devido à indutância dos cabos de conexão.

Para mais informações, entre em contato com nosso especialista em Proteção contra Surtos.

 

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