Descarga de raio e operação de comutação como fonte de interferência

Descarga de raio e operação de comutação como fonte de interferência   O seguinte descreve como usar a descarga elétrica e o interruptor como uma fonte de interferência 1 Sobretensão atmosférica Como fonte de interferência, o raio afeta edifícios e equipamentos e sistemas elétricos internos. Surtos elétricos originados na atmosfera são quase sempre o resultado de raios diretos/adjacentes ou raios distantes. No caso de um raio direto, o raio atinge diretamente um edifício protegido; No entanto, no caso de descargas atmosféricas adjacentes, descargas atmosféricas em sistemas estendidos ou tubulações (como tubulações, linhas de transmissão de dados ou linhas de energia) diretamente conectadas ao sistema protegido. Linhas aéreas de raios são exemplos de relâmpagos distantes. Relâmpagos entre nuvens criam "picos refletidos" (ondas viajantes) ao longo da linha de transmissão, enquanto relâmpagos na área circundante induzem sobretensão.   1.1 Raios Diretos e Raios Adjacentes O efeito da corrente do raio nos fios do canal do raio e sistema de proteção contra raios: (a) para produzir uma queda de tensão na resistência de aterramento de impacto do sistema de aterramento; (b) A indução de picos de tensão e corrente na espira formada pelos fios no interior do edifício. Devido à queda de tensão na resistência de aterramento de impacto, a corrente do raio também é descarregada através da linha de energia conectada como uma medida de conexão equipotencial de proteção contra raios. Em particular, devido à radiação de interferência magnética de descargas atmosféricas, descargas atmosféricas na área circundante induzem picos de tensão e correntes no loop do dispositivo. Se um raio atingir uma linha de alimentação aérea, haverá picos de tensão e corrente conduzidos na linha de entrada da fonte de alimentação. O raio internuvem também produz tensões e correntes de surtos condutores em linhas de energia e outros grandes sistemas de fios devido à radiação de interferência eletromagnética. Se uma análise precisa não for possível ou for muito cara, a corrente parcial do raio na linha de energia do prédio atingido pode ser estimada de acordo com IEC 61312-1 e DIN VDE 0185 Parte 103. Assuma que 50% da corrente do raio flui para o sistema de aterramento do edifício e 50% é distribuído uniformemente no sistema de aterramento distante (como tubulações, fontes de alimentação e linhas de comunicação). Para simplificar, assume-se que a corrente do raio é distribuída uniformemente pelos condutores (por exemplo, L1, L2, L3 e PEN do cabo de alimentação, ou os quatro núcleos do cabo de dados) em cada sistema de alimentação. No Apêndice C da DIN V ENV 61024-1(VDE V 0185 Parte 100), existe um método para estimar a corrente parcial do raio descarregada pela linha de entrada (no caso de sistemas de proteção contra raios). Dessa forma, a corrente do raio será distribuída no sistema de aterramento, no condutor externo e na linha de entrada (conectada diretamente ou conectada através do pára-raios) da seguinte forma: A corrente do raio compartilhada por cada condutor e condutor externo depende do número de condutores e condutores externos, sua resistência de aterramento equivalente e a resistência de aterramento equivalente do sistema de aterramento. Se os condutores utilizados em um sistema elétrico ou de informação não forem blindados ou colocados em tubos metálicos, a corrente compartilhada pelos condutores é It/n', onde n' é o número total de condutores do sistema elétrico ou de informação. 1.1.1. Queda de tensão na resistência de aterramento de impacto A queda de tensão máxima uE na resistência de impacto do solo Rst do edifício atingido é calculada como o máximo i da corrente do raio. Esta queda de tensão uE não é perigosa para o sistema protegido se uma conexão equipotencial para proteção contra descargas atmosféricas tiver sido efetivamente estabelecida. Atualmente, os padrões nacionais e internacionais de proteção contra raios exigem a implementação de conexão equipotencial integrada. Em um sistema conectado equipotencial sintético, todos os fios (entrada ou saída) são conectados ao sistema de aterramento diretamente ou através de centelhadores ou protetores contra surtos. Durante uma queda de raio, o uE de todo o sistema aumentará em potencial, mas dentro do sistema não haverá nenhuma diferença de potencial perigosa. 1.1.2 Tensão induzida no anel metálico A velocidade máxima de subida da corrente do raio (Δi/Δt, efetiva dentro do tempo Δt) determina o valor de pico da tensão induzida eletromagnética em todos os circuitos abertos ou fechados do dispositivo em torno do condutor de corrente da corrente do raio. No projeto do sistema de proteção contra descargas atmosféricas, pode ser utilizado o valor máximo I/T 1 da taxa média de elevação de uma determinada corrente de carga de onda (válido dentro do tempo de carga de onda T1). Ao estimar a tensão de onda quadrada induzida máxima U em um loop de dispositivo (por exemplo, em um edifício), o loop é considerado próximo à linha descendente de uma corrente de raio infinitamente longa. A tensão de onda quadrada pode ser estimada para um anel quadrado que consiste em um comprimento infinito de condutores de descarga de corrente e fios de equipamentos (por exemplo, o condutor de proteção de um dispositivo elétrico conectado à linha condutora de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas na conexão equipotencial bar). Para um anel quadrado que consiste em fios de equipamento isolados com um condutor condutor de corrente de raio infinitamente longo, a tensão de onda quadrada pode ser encontrada. Além do efeito de indução no grande anel de metal causado pelo arranjo do equipamento, também é digno de nota o efeito de indução no anel longo e estreito do cabo trançado em camadas não blindado, composto de fios paralelos próximos aos fios condutores de corrente da descarga atmosférica. A tensão induzida entre as linhas é chamada de "tensão transversal". Esta tensão é particularmente prejudicial para dispositivos eletrônicos. A tensão de onda quadrada pode ser encontrada para um loop estreito de fios compostos pelos condutores da linha do equipamento paralelos aos condutores de corrente da corrente infinita do raio. A tensão de onda quadrada de uma armação de arame longo composta de fios de equipamento perpendiculares ao fio de transporte de corrente de raio infinitamente longo a uma certa distância Em contraste com os altos valores de tensão no anel grande, há apenas cerca de 100 V de tensão induzida no anel longo e estreito. Mas lembre-se de que esta é a tensão lateral na linha do sistema de informação, que é de apenas 1-10 V em operação normal e está conectada a componentes eletrônicos sensíveis a surtos. Em uma linha encalhada, especialmente uma linha com blindagem eletromagnética, a tensão de onda quadrada induzida é muito menor que o valor calculado de acordo com a fórmula acima, e a tensão transversal dessa amplitude geralmente não é perigosa. Se o anel de metal estiver em curto-circuito ou seu isolamento for rompido pela tensão de onda quadrada induzida U, haverá uma corrente induzida i no anel cujo valor pode ser calculado. Como a corrente do raio aumenta muito rapidamente, um campo magnético de rápida mudança será gerado perto do canal do raio ou do condutor de corrente. O campo magnético da edificação gera uma sobretensão de até 10,00V em um amplo “loop de indução” formado por utilidades como fiação do sistema de energia e informação, tubulações de água e tubulações de gás. Por exemplo, um computador conectado a um sistema de energia e dados. Depois de entrar no prédio, o cabo de dados é conectado à barra de conexão equipotencial e, em seguida, o cabo passa pelo soquete do cabo de dados para o computador. O cabo de alimentação também é conectado à barra de ligação equipotencial através do pára-raios, que fornece energia ao computador através da tomada elétrica. Uma vez que o cabo de alimentação e o cabo de dados são instalados independentemente, eles podem formar um anel de indução com uma área de cerca de 100m2. A extremidade aberta do anel está no computador e a voltagem gerada pela indução magnética no anel é aplicada à extremidade aberta. Não apenas no caso de descargas atmosféricas diretas, mas também no caso de descargas atmosféricas adjacentes, o anel pode ser induzido pela sobretensão suficiente para causar quebra do equipamento e, às vezes, até incêndio. O computador deve ser protegido contra essas descargas atmosféricas "no local", ou seja, no próprio dispositivo ou diretamente nas tomadas de energia e dados (Seção 5.8.2.3). 1.2 Raios remotos No caso de descargas atmosféricas distantes, a onda viajante se propaga ao longo da estrada, ou as descargas atmosféricas próximas ao sistema protegido, afetando assim o campo eletromagnético do sistema protegido. Os riscos de sobretensão atmosférica na década de 1890 demonstraram que os dispositivos eletrônicos permanecem sensíveis a sobretensões e correntes induzidas ou conduzidas até 2 km do ponto de queda do raio (Seção 2.1). Esse perigo generalizado se deve à crescente sensibilidade de equipamentos de alta tecnologia conectados a cabos que se estendem para fora dos prédios e ao uso crescente de redes sensíveis. Com o desenvolvimento da tecnologia, o comprimento máximo permitido das linhas de dados que conectam os dispositivos aumentou rapidamente. Por exemplo, a interface V2.4/V2.8 (utilizada nos primórdios da EDP) refere que as características elétricas dos line drivers permitem uma ligação direta por cabo até cerca de 15m de comprimento. Os drivers de linha e interfaces disponíveis permitem a conexão direta de cabos trançados de núcleo duplo de até cerca de 1000m de comprimento. Quando a corrente do raio flui no cabo, tensões longitudinais e transversais serão geradas. A tensão longitudinal u1 gerada entre o fio central e a blindagem metálica do cabo é aplicada ao isolamento entre a extremidade de entrada do dispositivo conectado e o invólucro aterrado. A tensão transversal uq aparece entre os fios e pressiona o circuito de entrada do dispositivo conectado. Se a corrente do raio i2 for conhecida, então a tensão longitudinal pode ser calculada a partir da impedância de acoplamento R do cabo. 1.3 Acoplamento da corrente de surto na linha de sinal O exemplo a seguir mostra como a corrente de surto é acoplada às linhas de sinal de um sistema estendido por acoplamento resistivo, indutivo ou capacitivo. Por exemplo, considere o layout do dispositivo 1 no Edifício 1 e do dispositivo 2 no edifício 2. Os dois dispositivos são conectados através de cabos de sinal. Além disso, supõe-se que ambos os dispositivos estejam conectados a uma barra equipotencial (PAS) em seus respectivos edifícios por fios de aterramento de proteção (PE). 1.3.1 Acoplamento resistivo Um raio atinge o prédio 1, criando uma diferença de potencial de cerca de 100 kV na resistência do solo RA1. A tensão dessa amplitude é suficiente para aumentar a distância de isolação entre os dispositivos 1 e 2, de modo que a corrente resistiva de surto de acoplamento cruzado flua de PAS1 através do Dispositivo 1 ao longo da linha de sinal para os dispositivos 2, PAS2 e RA2. A amplitude da corrente de surto, cujo pico é de vários kA, depende dos valores relativos da resistência ohm RA1 e RA2. 1.3.2 Acoplamento perceptivo Como mencionado anteriormente, a tensão no anel de metal é induzida através do campo indutivo do canal do raio ou do condutor de corrente do raio. Por exemplo, os dois cabos principais de sinal entre os dispositivos 1 e 2 formam um anel de indução. Se um raio atingir o prédio 1, uma tensão transversal de vários milhares de volts será induzida dentro do anel, produzindo uma corrente acoplada de até vários milhares de amperes. Essas tensões e correntes induzidas são aplicadas à entrada ou saída do dispositivo. Outro exemplo de acoplamento emocional que pode ocorrer. A linha de sinal forma um anel de indução com o solo. Se um raio atingir o prédio 1, uma tensão muito alta (cerca de 10kV) é induzida no anel, causando o flashover de isolação dos Equipamentos 1 e 2, gerando correntes de acoplamento de milhares de amperes. 1.3.3 Acoplamento capacitivo Se um raio atingir o solo ou o conector do raio, o canal do raio ou o conector do raio aumentará para uma tensão muito alta (cerca de 100 kv em comparação com seus arredores) devido à diferença de potencial na resistência do eletrodo de aterramento RA.   A linha de sinal entre os dispositivos 1 e 2 é acoplada capacitivamente a este canal ou receptor de raios. O capacitor de acoplamento é carregado, fazendo com que uma corrente de "injeção" (cerca de 10A) passe pelo fluxo isolado dos dispositivos 1 e 2. 1.4 Amplitude da sobretensão atmosférica Um raio distante inicialmente causa um surto de cerca de 10kV, produzindo uma corrente numérica relativamente pequena. Mas um raio direto tem uma corrente muito maior com uma amplitude muito maior: 200kA de corrente (proteção Classe I) e picos de centenas de quilovolts. Os equipamentos de baixa tensão geralmente só podem suportar a tensão de ruptura de impacto de milhares de volts, portanto, são vulneráveis ​​a dezenas de milhares de volts de raios distantes ou sobretensão de 100 kV de raios diretos e até mesmo danificados. Alguns dispositivos eletrônicos podem tolerar tensões tão baixas quanto 10V. Portanto, o valor da tensão causada pela descarga atmosférica é de 100 a 10.000 vezes maior que a tensão tolerável de um sistema de baixa tensão contendo equipamentos eletrônicos. Portanto, essas sobretensões de alta amplitude devem ser reduzidas por medidas de proteção ou protetores contra surtos para valores significativamente abaixo da tensão de ruptura de impulso/tensão de flashover de impulso permitida. Para uma proteção confiável, mesmo no caso de raios diretos, o protetor contra surtos deve ser capaz de liberar um alto nível de corrente de raio sem ser danificado. 2 Operar a sobretensão A sobretensão operacional também pode afetar sistemas secundários e de baixa tensão, especialmente quando há acoplamento capacitivo. Em alguns casos, o valor desta sobretensão de operação pode ultrapassar 15kV. As causas destas sobretensões de funcionamento são as seguintes: (a) Corte as linhas de energia sem carga (ou capacitores). Quando o interruptor está ligado, a mudança no valor instantâneo da tensão de alimentação causa uma grande diferença de potencial entre o sistema e a linha cortada. Essa diferença de potencial, construída em milissegundos, pode provocar a religação entre os contatos da chave, como se os contatos fossem fechados novamente. A tensão de linha então se iguala ao valor instantâneo da tensão de alimentação e o arco entre os contatos de comutação é extinto. Este processo pode ser repetido muitas vezes. Este processo, no qual a tensão da linha é igual ao valor instantâneo de uma determinada tensão de alimentação, produz uma sobretensão de operação caracterizada por oscilações de atenuação da ordem de várias centenas de kilohertz. A amplitude inicial desta sobretensão de operação está relacionada à diferença de potencial entre os contatos do interruptor no momento da religação e pode ser várias vezes a tensão nominal de alimentação. (b) Desligue o transformador sem carga. Se um transformador sem carga for removido da rede, a energia do campo magnético é carregada em sua própria capacitância. O circuito de indutância - capacitância então oscila até que toda a energia seja convertida em calor através da resistência do circuito, resultando em uma amplitude de sobretensão operacional várias vezes maior que a tensão de alimentação nominal. (c) Falta à terra em rede não aterrada. Se a falha de aterramento ocorrer na linha externa da rede não aterrada, o potencial de aterramento de todo o sistema mudará devido à mudança de tensão da fase de aterramento. Se o arco de falha de aterramento for extinto, o efeito é semelhante ao corte de uma linha ou capacitor em vazio: uma sobretensão de operação é gerada com choques atenuados. Além das características acima das sobretensões de operação da rede que afetam sistemas de baixa tensão de maneira capacitiva, mudanças rápidas na corrente também podem gerar surtos em sistemas de baixa tensão por meio de acoplamento indutivo. Essa mudança repentina na corrente pode ser causada por carga de comutação pesada ou pode ser causada por curto-circuito, falha de aterramento ou falha de aterramento repetida. A sobretensão operacional também pode ocorrer dentro do próprio sistema de baixa tensão pelos seguintes motivos: • Corte os indutores que estão em paralelo com a fonte de alimentação, como bobinas ou reatores de transformadores, contatores e relés (neste caso, a sobretensão de operação é gerada semelhante ao caso anterior para corte de transformadores de potência em vazio). • Remova os indutores nos braços em série do loop de corrente, como o loop de fios, o indutor em série ou o próprio indutor (a corrente no indutor não pode sofrer mutação quando o circuito é desconectado e a amplitude da sobretensão operacional resultante depende no valor atual no momento da desconexão). • Corte intencional de um circuito por um interruptor, ou disparo não intencional de um fusível ou disjuntor, ou corte não intencional de um fio antes de um cruzamento zero natural da corrente (essas desconexões resultam em uma mudança brusca na corrente, resultando em uma sobretensão operacional , geralmente atenuada e oscilante, com amplitude várias vezes superior à tensão normal do sistema). • Circuito de controle de fase, efeito reverso do sistema coletor de escova, descarga repentina do motor e transformador, etc. Numerosas medições em várias redes de baixa tensão mostraram que os surtos mais notáveis ​​são causados ​​pela radiação interferente do arco elétrico produzido no interruptor. A interferência eletromagnética da operação do sistema de energia é geralmente mais frequente do que a interferência de raios. Para interferência conduzida de banda larga, pulsos de alta energia e pulsos de baixa energia ou diferentes tipos de pulsos de operação de comutação são tratados de forma diferente nos padrões EMC. A interferência de comutação pode ser gerada fora do prédio, por meio de linhas de energia ou dentro do prédio. Esses dois tipos de interferência podem ser considerados como uma combinação de interferência de tensão de surto e interferência de corrente de surto, como a interferência de raios, ou como tensão de surto aplicada. A interferência conduzida de alta energia de banda larga no processo de comutação pode ser tratada igualmente com a interferência conduzida de raios no edifício (conexões equipotenciais para proteção apropriada contra raios são arranjadas). Portanto, o padrão VG especifica a interferência de pico correspondente por tipo de ambiente. DIN VDE 0160 especifica a sobretensão aplicada devido ao processo de interrupção ou elemento de proteção contra sobrecorrente. 0,1/1,3 ms (velocidade de aumento de 0,1 ms, tempo de onda de 0,15 ms), a tensão de surto com um valor de pico de pico é sobreposta ao valor de pico da tensão CA uN/máx. A interferência de tensão operacional de baixa energia de banda larga (ou seja, enxame de pulso) é especificada em DIN VDE 0847 Parte 4-4. A forma de onda é 5/50ns (taxa de aumento de 5ns, tempo de onda de cerca de 7,4ns), a amplitude está relacionada à gravidade do teste e é aplicada a linhas de energia e linhas de comunicação na forma de pacotes de pulso por capacitores de acoplamento. Além da interferência conduzida, o próprio processo de operação gera radiação de interferência considerável (por exemplo, centelhamento quando um interruptor é desconectado), o que induz mais interferência conduzida.
Hora da postagem: Feb-10-2023

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