Protección contra Picos y Acondicionamiento de la Energía

Módulo de Aprendizaje 28:
Serie Básica 101
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la Energía
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Temario
En este módulo, estudiaremos con detalles cada uno de estos temas:
Introducción
Proliferación de los Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido
El Lado Negativo de los Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido
5
5
5
Perturbaciones de la Calidad de la Energía
Picos o Transitorios
Variaciones de Tensión Multicíclicas
Distorsión por Ruido
5
6
6
7
Conexión a Tierra
Introducción
Conexión a Tierra y Producción de Picos
7
7
8
Repaso 1
9
Rayos
10
Aplicación de una Protección contra Picos
Utilización de una Tira contra Transitorios
Enfoque en Dos Etapas
11
11
13
Supresión de Picos Integrada
15
Repaso 2
17
Tecnología de Protección contra Transitorios
Varistor de Óxido de Metal
Diodo de Avalancha de Silicio
Célula de Selenio
Varistor de Óxido de Metal vs. Diodo de Avalancha de Silicio en
Sistemas de Energía Eléctrica CA: Mito y Realidad
18
18
18
19
Estándares de Dispositivo de Protección contra Transitorios
Resumen de los Estándares
UL 1449 2da Edición
UL 497, 497A y 497B
ANSI/IEEE C62.41
IEEE 1100 (1992)
NEMA LS-1
NFPA 780
23
23
24
24
25
26
26
27
Repaso 3
28
20
Ayuda al Cliente
29
Criterios de Especificación para Protección contra Transitorios de Distribución
29
¿Qué es la Capacidad de Corriente Transitoria?
29
¿Qué Capacidad de Corriente de Sobretensión Se Requiere?
30
¿Por qué no se deben utilizar especificaciones como Julio para
Comparar los Dispositivos de Protección contra Transitorios?
31
¿Por qué es importante llevar a cabo una Prueba Independiente?
31
¿Qué es la Tensión Transmitida?
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
¿Qué efecto tiene una Instalación sobre el Desempeño de
un Dispositivo de Protección contra Transitorios?
31
¿Cuál es el Beneficio de la Filtración?
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¿Se requiere de Mantenimiento para un Dispositivo de
Protección contra Transitorios?
33
¿Un Dispositivo de Protección contra Transitorios me proporciona una
cobertura al 100% en Todas las Cargas Eléctricas?
33
¿Qué Causa la Falla de un Dispositivo de Protección
contra Transitorios?
34
Repaso 4
35
Glosario
36
Respuestas del Repaso 1
39
Respuestas del Repaso 2
39
Respuestas del Repaso 3
39
Respuestas del Repaso 4
39
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Bienvenido
Bienvenido al Módulo 28, que trata de dispositivos de protección contra picos. Un
dispositivo de protección contra picos se utiliza para proteger un equipo electrónico contra picos de tensión perjudiciales.
Figura 1. Las Instalaciones y los Equipos Electrónicos Están Constantemente en Riesgo por
Picos de Tensión
Como en los demás módulos en esta serie, este módulo presenta pequeñas secciones de material nuevo seguidas por una serie de preguntas sobre este material. Estudie el material cuidadosamente y después conteste las preguntas sin
hacer referencia a lo que acaba de leer.
Usted es el mejor juez de su asimilación del material. Repase el material tan frecuentemente como lo considere necesario. Lo más importante es establecer una
base sólida sobre la cual construir conforme pasa de tema en tema y de módulo
en módulo.
Nota sobre Estilos de
Fuentes
Los puntos esenciales se presentan en negritas.
Viendo el Glosario
Las versiones impresas tienen el glosario al final del módulo. Usted puede también hojear el Glosario seleccionando con el mouse la marca de Glosario en el
margen izquierdo.
Los términos del Glosario son subrayados y se presentan en cursivas la primera
vez que aparecen.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Introducción
La popularidad de los dispositivos electrónicos de estado sólido ha crecido
dramáticamente en las últimas décadas. Esto es cierto en el caso de todos los
segmentos del mercado: consumidores, comercial e industrial. De hecho, aproximadamente la mitad de la energía eléctrica generada a escala mundial pasa a
través de un dispositivo de este tipo.
Proliferación de los
Dispositivos
Electrónicos de Estado
Sólido
Considere una casa típica hoy en día. Está llena de todo tipo de equipos electrónicos. Televisores, Videograbadoras, hornos de microondas, equipo estereofónico, computadoras, etc.
Es fácil ver por qué los dispositivos electrónicos de estado sólido son tan populares. Los dispositivos son pequeños. Son cómodos de usar. Son muy precisos
en cuanto a su función, ofreciendo un desempeño superior. Y sin partes móviles,
son excepcionalmente duraderos.
Figura 2. Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido
El Lado Negativo de los
Dispositivos
Electrónicos de Estado
Sólido
Sin embargo, los dispositivos electrónicos de estado sólido tienen su lado
negativo. Para proporcionar el funcionamiento preciso y confiable que se espera
de ellos, estos dispositivos requieren de una fuente igualmente confiable de
energía. Los microprocesadores se basan en señales digitales que son secuencias rápidas de conexión/desconexión.
Si las secuencias son distorsionadas, las señales pueden ser afectadas. El
desempeño puede verse aminorado o hasta detenido. En el caso de un pico de
Tensión mayor (100V-20kV), los dispositivos pueden ser dañados o destruidos, lo que resulta en costos de reemplazo de equipo potencialmente muy elevados. Claramente, se debe resolver este problema.
Puesto que es imposible evitar la penetración de los picos de tensión en un
edificio o evitar que ocurran en un edificio, se inventó la protección contra
picos. La función del protector contra picos es detener (o por lo menos limitar) los
efectos de una Calidad de la Energía menos que perfecta sobre los dispositivos
electrónicos de estado sólido.
La protección contra picos es una solución económica para evitar el tiempo
perdido y el daño al equipo. Es adecuado para cualquier instalación o carga
(600 volts y menos). La protección contra picos debe de ser aplicada no solamente al sistema de energía eléctrica CA, sino también a las líneas de teléfono,
televisión por cable y otras líneas de comunicación que entran a los hogares.
Perturbaciones de la
Calidad de la
Energía
La perturbación de la calidad de la energía puede encontrarse dentro de un
rango de un microsegundo a un estado de equilibro constante. Un microsegundo puede no parecer mucho tiempo pero para un equipo electrónico delicado,
es toda una vida. Las perturbaciones de la calidad de la energía pueden ser
causadas por las fuerzas de la naturaleza, ciclos de ARRANQUE/PARADA de los
equipos, o bien dispositivos que introducen distorsiones.
Existen algunas perturbaciones muy comunes que afectan un sistema. Incluyen:
•
Transitorios o Picos
•
Variaciones de tensión multicíclicas (es decir, condiciones de Transitorios de
Baja Tensión y Transitorios de Alta Tensión)
Página 5
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
•
Distorsión por Ruido
•
Armónicas (este tema se presenta en el Módulo 15, Administración de la
Energía)
Veamos brevemente estos tipos de perturbaciones.
Picos o Transitorios
Un pico eléctrico o transitorio es una perturbación eléctrica de corta
duración, con alto nivel de energía, aleatoria. Por definición, es un evento de
menor duración que un ciclo. Los términos comunes para transitorios son Impulso
de Tensión y Pico Transitorios (un solo impulso).
Las fuentes de estos transitorios incluyen:
•
Rayos
•
Cargas (capacitivas e inductivas)
•
Cortocircuitos
•
Operación de un controlador de velocidad variable
•
Operación de equipo de formación de imágenes (fotocopiadoras y escáners)
•
Soladura de Arco
•
Reductores de Luz
Figura 3. Forma de Onda Típica de un Impulso de Tensión
Un pico puede desplazarse en cualquier conductor metálico que penetra en un
edificio. Línea eléctricas, telefónicas y de cable coaxial pueden tornarse grandes
conductores de pico.
Los transitorios son de corta duración: típicamente de 0.5 - 200 microsegundos.
Pueden ser por naturaleza de impulsos o oscilantes (vibratorias). Son demasiado rápidos para ser detenidos por los interruptores de circuito o fusibles. Pueden dañar los dispositivos de estado sólido y corromper los datos de los
microprocesadores.
La utilización de pararrayos y Dispositivo de Protección contra Transitorios (SPD),
o bien Supresores de Pico de Tensión Transitorios (TVSS), pueden ayudar a mitigar algunos de los problemas causados por los picos eléctricos.
Variaciones de Tensión
Multicíclicas
Las condiciones de transitorios de baja tensión y transitorios de alta tensión pueden ser causadas por varias grandes cargas conectándose o
desconectándose al mismo tiempo.
Un transitorio de baja tensión puede ser causado cuando varios grandes motores
arrancan al mismo tiempo. Fallas en sistemas de distribución o mal funcionamiento de equipo de la empresa de suministro de energía eléctrica pueden también causar transitorios de baja tensión. Los transitorios de baja tensión pueden
afectar las bobinas de los arrancadores de motores diseñados para desconectarse cuando la tensión baja al 85% de us valor nominal.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Los transitorios de alta tensión son frecuentemente causados cuando ocurre una
baja repentina de carga. Fallas individuales de conexión de línea a tierra o la conexión de grandes baterías de capacitores puede resultar en condiciones de transitorios de alta tensión o Sobretensión.
Figura 4. Formas de Onda para Energía CA normal,
en Condición de Transitorio de Baja Tensión y Condición de Transitorio de Alta Tensión
La duración de un transitorio de baja tensión o de un transitorio de alta tensión es generalmente entre 1/2 ciclo y 1 minuto. (Cuando la duración rebasa
un minuto, la perturbación se conoce como perturbación de baja tensión o
sobretensión). Pueden causar el apagado de computadoras y PLCs o el bloqueo
en un programa, puede causar que los motores se paren y cambien la abertura
de contactores y relevadores. Puede también ocurrir formación de arco de tensión y fallas de componentes.
El uso de reguladores de tensión y acondicionadores de línea de suministro de
energía eléctrica puede resolver estos problemas. Además, productos que
acondicionan la energía habituales se están volviendo soluciones viables para
mitigar las interrupciones y los transitorios de baja tensión.
Distorsión por Ruido
La distorsión por ruido toma la forma de señales eléctricas indeseadas presentes en la forma de onda de tensión de estado constante.
La Interferencia de Radio Frecuencia (RFI), producido por componentes de sistemas de sistemas de comunicación, puede contribuir al ruido de sistema. ¿Ya ha
tenido interferencias estáticas en su televisor causadas por una secadora o un
radio CB cercano? Son ejemplos de RFI.
Filtros individuales o bien combinaciones de varios filtros pueden reducir el ruido
en una línea para incrementar la calidad de su energía eléctrica.
Otra forma de ruido es causada por las diferencias en cuanto a potenciales
de tierra en un sistema eléctrico. La supresión de picos, alambrado, protección
y conexión a tierra del sistema eléctrico de un edificio, incluyendo el alambrado
de comunicación, tienen un efecto importante sobre los niveles de ruido al cual
están expuestos los equipos electrónicos.
Conexión a Tierra
Introducción
Todos los sistemas de distribución eléctrica deben estar apropiadamente
conectados a tierra para asegurar la seguridad del sistema. Otro beneficio importante de una conexión a tierra correcta es una operación confiable de los equipos
electrónicos.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
La electricidad toma la ruta de la menor Resistencia. Una persona que entra en
contacto con un sistema eléctrico no conectado a tierra se volvería probablemente la conexión a tierra misma y recibiría un choque de alta tensión.
La conexión a tierra es exactamente lo que su nombre indica: una conexión
eléctrica con la tierra. Se logra habitualmente fijando un Conductor a un electrodo metálico (varilla) que es enterrado después en la tierra. Esta conexión proporciona una Ruta de Conexión a Tierra para todo el sistema de distribución de
energía eléctrica de un edificio, desde la Acometida.
Conexión a Tierra y
Producción de Picos
Puede ser fácil establecer la relación entre la conexión a tierra y la protección contra picos. La conexión a tierra del sistema ofrece una ruta que
puede seguir el pico, evitando daños al sistema. Si la conexión a tierra no
es sólida, la protección contra picos no funcionará apropiadamente.
Imagine que un rayo cae sobre una instalación equipada con un sistema de protección contra rayos, un tipo especial de sistema de protección contra picos.
(Comentaremos con mayores detalles los rayos más adelante). La función del
sistema de protección contra rayos es transportar la Corriente generada por el
rayo a través de la instalación hacia la conexión a tierra. Esto se efectúa proporcionando al rayo una ruta altamente conductora hacia la tierra, minimizando las
rutas alternas a través de otros elementos (equipo electrónico costoso, por ejemplo).
Si la conexión a tierra es insatisfactoria, o inoperante, la corriente generada por el
rayo puede seguir una ruta mucho más dañina a través de la instalación, causando daño a equipo y/o lesión al personal. Esta situación es mucho más común
de lo que usted puede pensar. De hecho, aproximadamente el 80% de los
problemas de calidad de la energía se relacionan con problemas de conexión a tierra.
La eficacia de la conexión a tierra se relaciona también directamente con la
resistencia en el sistema. Entre menor es la resistencia de conexión a tierra,
más eficaz será dicha conexión a tierra.
Puesto que la conexión a tierra es tan vital para la seguridad de un sistema
de distribución de energía eléctrica, debe ser revisada y probada regularmente.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Repaso 1
Conteste las siguientes preguntas sin hacer referencia al material que se le acaba
de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo
que ya ha leído.
1. En sus propias palabras, defina un pico.
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2. ¿Existe una diferencia entre un pico, un transitorio, y un impulso de tensión?
SI NO
3. Liste tres de las cuatro perturbaciones muy comunes que pueden afectar un
sistema.
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4. En sus propias palabras, explique la diferencia entre un transitorio de baja
tensión y un transitorio de alta tensión.
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5. ¿Un interruptor de circuito puede parar un pico?
SI NO
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Rayos
A continuación vamos a presentar la perturbación de la calidad de la energía más
destructora de todas: el rayo. Primero vamos a ofrecer algunas estadísticas del
National Lightning Safety Institute (NLSI) [Instituto Nacional de Seguridad en
Materia de Rayos].
•
En cualquier momento, más de 1,000 tormentas de rayos están en curso en
el mundo entero.
•
Los rayos alcanzan la tierra más de 100 veces por segundo.
•
Las estructuras altas, tales como torres de radio y edificios de oficinas son
alcanzados por los rayos de 5 a 10 veces por año. Los edificios más
pequeños pueden esperar ser alcanzado por un rayo una vez al año.
•
Los rayos causan en los Estados Unidos de América más de $2 billones de
dólares por año en pérdidas económicas, principalmente por daño a computadoras y pérdida de datos. Esta cifra se está elevando rápidamente
puesto que los dispositivos de microprocesadores siguen ganando popularidad.
¿Son números muy impactantes verdad? Los rayos representan un problema
más serio de lo que piensa la gente en general. De hecho, el NLSI establece que
los rayos representan un peligro subestimado.
A continuación viene lo más impactante: Con una buena implementación de los
dispositivos de protección contra picos y se podría evitar una gran parte de estas
pérdidas.
En Campo
Después de una tormenta violenta, el gerente de planta en la instalación de Westerville, OH de Eaton Corporation fue recibido por varios bomberos con sus
hachas en mano.
El sistema automático de alarma contra incendios envío una falsa alarma cuando
un rayo inducido penetró en el edificio a través del sistema de HVAC. En este
instante decenas de miles de dólares de equipo eléctrico y electrónico desaparecieron.
El Protector contra Picos CPS de Cutler-Hammer
Instalado en el Tablero Eléctrico
El gerente de planta decidió que se requería una supresión de picos como un
plan de protección global a escala de la planta.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Esta pequeña inversión pudo haber ahorrado el costo elevado de reemplazar el
equipo destruido.
Si un edificio es golpeado directamente, la corriente de impulso medida en miles
de Amperes puede penetrar en las líneas de suministro de energía eléctrica,
datos y teléfono.
Las computadoras y dispositivos periféricos, conmutadores telefónicos, y equipo
de interfaz de datos pueden ser fácilmente dañados o destruidos por este tipo de
pico de energía.
La Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) publica NFPA
780, el Código de Protección contra Rayos. Se enfoca hacia los requerimientos
de protección para instalaciones tales como:
•
Estructuras ordinarias
•
Estructuras misceláneas y ocupaciones especiales
•
Entornos industriales
Los siguientes artículos son extraídos directamente de la edición de 1992 de la
publicación de código NFPA 780.
NFPA 780 define un sistema de protección contra rayos como “un sistema
completo de terminales aéreas, conductores, terminales de conexión a tierra,
conductores de interconexión, dispositivos de supresión de picos, y otros
conectores o aditamentos requeridos para completar el sistema”.
La sección 3-21 del código se refiere a la supresión de picos. Dice lo siguiente:
“Dispositivos adecuados para la protección de la estructura deberá instalarse en entradas de servicios telefónicos y eléctricos y en entradas de
antenas de radio y televisión. Nota: Sistemas eléctricos y equipos de utilización
dentro de la estructura pueden requerir de una supresión adicional de picos”.
La sección D-4.8 del código describe la ubicación de instalación para dispositivos
de supresión de picos. Establece lo siguiente: “Dispositivo de supresión de
picos deben instalarse en todo el alambrado que entra o sale de un equipo
electrónico, habitualmente alambrado de comunicación de datos o suministro de energía eléctrica”.
Aplicación de una
Protección contra
Picos
El objetivo de diseño de un dispositivo de protección contra picos es desviar la
mayor cantidad posible de perturbación transitoria de la energía eléctrica
de la carga. Para lograr este propósito, un dispositivo de Derivación de baja
impedancia, por ejemplo un supresor de picos, redirige el transitorio hasta
la tierra.
Evidentemente, el dispositivo de protección contra picos debe ubicarse corriente
arriba de la carga que debe proteger, pero ¿qué configuración de distribución
debe emplearse?
Utilización de una Tira
contra Transitorios
Seguro que usted ha visto estos dispositivos económicos: un grupo de cinco o
seis receptáculos conectados a una extensión, habitualmente con un interruptor de circuito integrado o fusible. Usted puede comprarlos por menos de
20 dólares en una tienda de hardware. Hasta puede tener uno o dos en su casa.
Tal vez lo esté alarmando, pero es todo lo que existe entre sus equipos electrónicos costosos (estéreo, televisor, computadora, etc.) y un rayo, su inversión no
es tan segura como usted cree. Es una aplicación errónea común que podría
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
costarle al dueño de una casa o de un pequeño negocio una fortuna en costos de
reparación y/o reemplazo.
Una tira contra transitorios típica ofrece una especificación de corriente de
transitorio de solamente 2,000 a 6,000 amperes. IEEE define el transitorio de
rayo máximo en 20,000 volts y 10,000 amperes. Cuando un rayo supera la tira
contra transitorios, usted puede imaginar a donde va el resto del transitorio.
Otra consideración: los transitorios no entran en las instalaciones, solamente
en las líneas de energía eléctrica CA. Los cables coaxiales y las líneas de teléfono están también en riesgo. Una máquina fax o computadora debe de tener
protección para línea de suministro de energía eléctrica CA y línea de teléfono.
Un televisor debe tener protección para línea de suministro de energía eléctrica
CA y cable coaxial.
Ahora, no tire sus tiras contra transitorios. Ofrecen una protección vital para sus
equipos electrónicos. Pero, las tiras contra transitorios solas no ofrecen una
protección suficiente. Veamos a continuación una estrategia de protección más
completa.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
En Campo
Las líneas de suministro de energía eléctrica CA no son las únicas que pueden
servir como conductores de transitorios. De hecho, los transitorios pueden
desplazarse en cualquier conductor metálico.
Un transitorio podría ingresar fácilmente a una instalación a través de las líneas
de comunicación (teléfono y fax), líneas de datos (en el caso de redes de computadoras), o bien cable coaxial (en el caso de servicio de televisión por cable).
Protección Completa contra Transitorios
en el caso de una Casa Habitación
Por esta razón, dispositivos de protección contra transitorios (SPDs) deben instalarse en la acometida en todos los conductores metálicos.
Una solución cómoda es un dispositivo de protección contra transitorios de combinación, tal como se muestra aquí. Ofrece protección de acometida para líneas
de suministro de CA, líneas telefónicas y líneas coaxiales, en un solo paquete.
Enfoque en Dos Etapas
IEEE (Libro Esmeralda 1992) recomienda que los dispositivos de protección
contra picos sean coordinados en enfoque escalonado o en cascada. IEEE
y NFPA 780 dicen que el punto inicial es la acometida. El primer dispositivo de
protección contra picos debe colocarse aquí para suprimir un gran porcentaje del
evento inicial. Esto es decir, el protector contra picos de primer nivel se coloca en
un centro de carga (acometida) para reducir un pico de tensión a un nivel aceptable para dispositivos corriente abajo incluyendo dispositivos de protección contra picos más pequeños (tiras de protección contra transitorios de punto de uso).
Para manejar cualquier tensión residual, se debe colocar un segundo dispositivo de protección contra picos justo antes de cargas críticas, por ejemplo el
tablero de energía en un cuarto de cómputo de una planta. Este enfoque en dos
etapas reduce un pico de rayo de 20 kV a picos muy por debajo de 330 volts, que
es el límite recomendado impuesto por el IEEE.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Figura 5. El Enfoque en Dos Etapas según IEEE es Extremadamente Efectivo
En el caso de una aplicación residencial, la protección de segunda etapa puede
tomar la forma de una tira de protección contra transitorios, es decir, a condición
que ofrezca protección para todas las cargas expuestas: línea de suministro de
energía eléctrica CA, líneas telefónicas y/o cable coaxial. La primera etapa sería
un dispositivo directamente instalado en el tablero eléctrico para desviar con seguridad la mayor parte del transitorio de las cargas críticas (electrodomésticos y
electrónicos).
Figura 6. Primera Etapa: Protector de Centro de Carga y Segunda Etapa: Tiras contra Transitorios
Figura 7. Protección en Dos Etapas en una Aplicación Residencial
Veamos también una aplicación industrial. La primera etapa de protección es
ofrecida en la acometida, con un dispositivo de protección contra transitorios
integrada en el Switchboard o en el Tablero principal. La protección de segunda
etapa puede tomar la forma de un protector de cargas críticas (por ejemplo
un dispositivo de filtración), o bien un dispositivo de protección contra transitorios en el tablero de energía que alimenta las cargas críticas.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Figura 8. Protección en Dos Etapas en una Aplicación Industrial
Supresión de Picos
Integrada
Históricamente, los dispositivos de supresión de sobretensión fueron
adquiridos como dispositivos independientes. Eran simplemente montados al
lado de un panelboard o swtichboard y conectados por cable e interruptor de circuito disponible. Este tipo de diseño sigue estando en uso hoy en día para modificaciones retroactivas.
Figura 9. Supresión de Pico Independiente (a la izquierda) vs. Supresión de Pico Integrada
En los últimos años, los fabricantes de switchgear han comenzado a integrar
los dispositivos de supresión en los equipos de distribución de energía
eléctrica. Hoy en día, la supresión de pico está disponible en muchos tipos de
switchboard, tableros, electroductos y centros de control de motor.
Este diseño integrado ha resuelto muchos problemas relacionados con el
enfoque independiente. El beneficio más importante es un mejor desempeño de supresión. El dispositivo de supresión está conectado directamente a
las barras bus, eliminando una gran parte de la Impedancia asociada con la colocación de un cable hacia un dispositivo de supresión externo. Una menor impedancia se traduce directamente en una mejor Tensión transmitida.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Figura 10. La Supresión de Picos Independiente Es Menos Eficaz
que la Supresión de Pico Integrada
Los beneficios adicionales de la supresión de picos integrada en comparación
con una modificación retroactiva incluyen:
Costos de instalación reducidos
No hay necesidad de contratar a un especialista o electricista en mantenimiento
para montar los dispositivos de protección contra transitorios.
Uso reducido de espacio de pared
La integración del supresor libera hasta tres pies de espacio de pared por unidad.
El espacio es un parámetro valioso en cualquier sala de equipos eléctricos. El
hecho de ahorrar espacio de pared es un beneficio importante para los propietarios de instalaciones e ingenieros.
Tranquilidad
Puesto que el supresor viene instalado de fábrica y probado, el encargado de las
especificaciones no tiene que revisar la instalación. La solución de modificación
retroactiva, si es instalada incorrectamente, podría obligar al encargado de las
especificaciones a forzar al contratista a reinstalar el dispositivo; un proceso costoso y que requiere tiempo. Se reducen las reclamaciones futuras con la solución
integrada, que son dolores de cabeza para los ingenieros y los usuarios finales.
Ausencia de conflicto de garantía
Si surge un problema, el cliente requiere de tratar con un solo fabricante.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Repaso 2
Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba
de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo
que ya ha leído.
1. Los rayos cuestan más de $2 _________ USD en los Estados Unidos por
Año en cuanto a pérdidas económicas.
A. millones
B. cientos millones
C. billones
2. La tira de protección contra transitorios típica proporciona un valor nominal de
corriente de transitorio de aproximadamente ________ amperes, mientras
que IEEE define el transitorio máximo de rayo como ________ amperes.
A. 500 a 1,000; 1,000
B. 2,000 a 6,000; 10,000
C. 5,000 a 20,000; 25,000
D. 2,000 a 10,000; 6,000
3. Los transitorios penetran en las instalaciones solamente a través de las
líneas de suministro de energía CA.
VERDADERO FALSO
4. En sus propias palabras, explique por qué un enfoque en dos etapas (o cascada) se utiliza para proteger las cargas electrónicas dentro de una instalación.
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5. En sus propias palabras, explique por qué una supresión de picos integrada
ofrece un mejor desempeño de supresión que el enfoque independiente.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Tecnología de
Protección contra
Transitorios
Varistor de Óxido de
Metal
Existen varios tipos de componentes de protección contra transitorios utilizados por fabricantes de dispositivo de protección contra transitorios.
Son:
•
MOVs
•
SADs
•
Tubos de gas (no abarcados en este módulo 101)
•
Células de selenio
•
Dispositivos híbridos
La tecnología más confiable y comprobada disponible para reducir un transitorio
es el Varistor de Óxido de Metal (MOV). Es también la tecnología más ampliamente utilizada en la industria. En aplicaciones de energía eléctrica CA, más del
99% de todos los dispositivos de protección contra transitorios incorporan
la tecnología MOV debido a su alta capacidad de energía y desempeño confiable como Estabilizador.
En condiciones de operación normales, el MOV es un componente de alta impedancia que tiene una pequeña corriente de fuga que lo atraviesa. Pero, cuando
está sometido a un pico de tensión de digamos 125% de la tensión nominal
del sistema, el MOV reacciona en nanosegundos, volviéndose una ruta de
baja impedancia para desviar la sobretensión lejos de la carga.
Figura 11. El MOV Protege el Equipo contra Sobretensiones Dañinas
Un elemento de filtro se utiliza frecuentemente en combinación con un
MOV. Este arreglo híbrido ofrece numerosas ventajas, incluyendo una respuesta
más rápida, una mejor estabilización y una vida más larga.
Diodo de Avalancha de
Silicio
El Diodo de Avalancha de Silicio (SAD), es utilizado frecuentemente en protectores contra sobretensión en línea de datos y comunicación. No se
recomienda para su uso en aplicaciones CA de alta exposición debido a sus
capacidades limitadas de manejo de energía.
La capacidad del diodo de avalancha de silicio es relativamente limitada.
Para manejar un transitorio de Categoría B típico (en alimentador y ramales cortos), un circuito requeriría de muchos diodos de avalancha de silicio. Esto se
debe a que el diodo de avalancha de silicio tiene una baja capacidad de disipación de calor. De hecho, el diodo de avalancha de silicio de mayor capacidad
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
disponible en el comercio tiene una especificación nominal de 1500 Watts, lo que
equivale a un dispositivo de 1.5 Julio. Por esta razón, el diodo de avalancha de
silicio no se recomienda para su uso en tableros o switchboards.
Figura 12. Diodo de Avalancha de Silicio Típico (arriba) y MOV (abajo)
Célula de Selenio
Aún cuando la Célula de Selenio era anteriormente un componente popular
de dispositivo de protección contra transitorios, se considera ahora como
anticuada. Fue reemplazada en los años 1960 por el varistor de óxido de metal.
Las células de selenio son rectificadores metálicos (diodos) con una tensión
reversa máxima de solamente 25 VCD; muchas células se requieren en el caso
de tensiones más altas.
Existe un fabricante de dispositivos de protección contra transitorios que sigue
produciendo una forma de célula de selenio que se conoce como “protección
mejorada contra sobretensión de selenio”. El dispositivo combina una célula
de selenio en paralelo con un varistor de óxido de metal. Aún cuando esto
parece ofrecer los mejor de dos mundos, la eficacia de un dispositivo de este tipo
es cuestionable.
Cuando las células de selenio son utilizadas en paralelo con varistores de
óxido de metal, no se logra ninguna ventaja en cuanto a desempeño, costo
ni flexibilidad de aplicación. De hecho, su costo y su volumen físico son desventajas importantes. Muchas placas de selenio deben ser apiladas para crear
una interrupción suficiente de la tensión para su uso en circuitos CA.
Comparación entre las Tecnologías
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
A continuación vamos a comparar las tecnologías de dispositivos de protección
contra transitorios.
Tecnología de
dispositivos de protección
contra transitorios
Varistor de Óxido de
Metal
Diodo de Avalancha de
Silicio
Ventajas
Desventajas
•
•
Alta capacidad de
energía
•
Excelente confiabilidad
•
Desempeño consistente
•
Mejor conectividad
mecánica para conectar en paralelo múltiples componentes
•
Ideal para aplicaciones en línea de
datos
•
Desempeño consis•
tente
•
•
•
Célula de Selenio
Varistor de Óxido de
Metal vs. Diodo de
Avalancha de Silicio en
Sistemas de Energía
Eléctrica CA: Mito y
Realidad
•
Alta capacidad de
energía
•
Se degrada gradualmente, requiriendo de
numerosos componentes montados en
paralelo
Baja capacidad de
energía
Alto costo
Sensible a sobretensiones
Se requieren de
varias unidades
Alta corriente de fuga
•
Alta tensión transmitida
•
Voluminoso
•
Costo elevado
Un pequeño número de fabricantes de dispositivos de protección contra transitorios siguen promoviendo el uso de los diodos de avalancha de silicio (SADs) para
aplicaciones CA. (Cutler-Hammer no es uno de estos fabricantes).
Según lo establecido previamente, más del 95% de los dispositivos de protección contra transitorios incorporan tecnología de varistor de óxido de
metal. El diodo de avalancha de silicio sigue utilizándose a pesar de este hecho,
debido en gran medida a algunas creencias incorrectas en materia de tecnología.
A continuación vamos a contraponer estos mitos con un examen de los hechos.
Mito #1:
“Los diodos de avalancha de silicio responden más rápidamente que los varistores de óxido de metal. Este tiempo de respuesta suprior resulta en un mejor
desempeño del dispositivo de protección contra transitorios”.
Hecho:
Los comités de NEMA LS-1 e IEEE no mencionan el tiempo de respuesta
como especificación de un dispositivo de protección contra transitorios.
Todos los dispositivos de protección contra transitorios, independientemente de
la tecnología, responden en bastante tiempo para desviar las sobretensiones.
Página 20
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Hecho:
Aún si el tiempo de respuesta fuese un factor, los dispositivos basados en diodos de avalancha de silicio y los dispositivos basados en varistores de
óxido de metal tienen tiempos de respuesta equivalentes. El alambrado
interno y las conexiones afectan también el tiempo de respuesta de los dispositivos. El alambrado interno y los conductores conectores en un dispositivo basado
en un diodo de avalancha de silicio agregan inductancia. La inductancia es el
factor principal en el tiempo de respuesta global. Hace más lenta la
velocidad de reacción del dispositivo basado en diodo de avalancha de silicio típico a aproximadamente la velocidad de reacción del dispositivo basado en varistor de óxido de metal.
Mito #2:
“Los diodos de avalancha de silicio ofrecen una estabilización más estrecha que
los varistores de óxido de metal”.
Hecho:
Cuando se exponen a pruebas definidas según IEEE y a la prueba UL 1449 2da
edición, los dos dispositivos tienen los mismos valores nominales de
supresión de tensión. UL no considera que los dispositivos de diodo de avalancha de silicio proporcionen una mejor estabilización que los dispositivos de varistor de óxido de metal.
Mito #3:
“Los varistores de óxido de metal se degradas con el paso del tiempo mientras
que los diodos de avalancha de silicio no. Por consiguiente, el diodo de avalancha de silicio tiene una vida útil más larga y es más seguro”.
Hecho:
La vida útil de un diodo de avalancha de silicio es mucho menor que la vida
útil de un varistor de óxido de metal. Un diodo de avalancha de silicio individual puede ser dañado por un transitorio de menos de 1,000 amperes. IEEE
C62.41 requiere que un dispositivo de protección contra transitorios resista a
transitorios de 10,000 amperes. Los diseños basados en varistores de óxido de
metal permiten una protección confiable contra transitorios que rebasan por
mucho la vida de la instalación.
Los diseños de diodo de avalancha de silicio tienen capacidades de energía
más bajas, especialmente en acometidas. Véase la gráfica abajo. La
capacidad limitada de manejo de energía del diodo de avalancha de silicio es evidente. Los dispositivos basados en diodos de avalancha de silicio presentan también tendencia a fallas catastróficas debido a transitorios de alta tensión
(perturbaciones de sobretensión).
Página 21
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Figura 13. Los Diodos de Avalancha de Silicio Tienen una Menor Capacidad de
Manejo de Energía, una Vida Útil más Corta que los Varistores de Óxido de Metal
Un dispositivo de protección contra transitorios de calidad con varistores
de óxido de metal en paralelo puede lograr unas especificaciones de
sobrecorriente de más de 250,000 amperes, por fase. Con este valor nominal,
el dispositivo de protección contra transitorios operará de manera eficaz
durante toda la vida del edificio, aún en un área de muchos rayos, como por
ejemplo Florida. Esto hace que el varistor de óxido de metal sea mucho más confiable para su uso en un sistema de energía eléctrica CA.
Página 22
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Estándares de
Dispositivo de
Protección contra
Transitorios
Los Estándares establecidos por UL, IEEE, ANSI, NEC y otros proveen uniformidad en el ámbito de los dispositivos de protección contra transitorios. Los estándares ofrecen parámetros de prueba que permiten comparar y clasificar los
dispositivos de protección contra transitorios.
Para tomar decisiones informadas en cuanto a protección contra transitorios, usted debe familiarizarse con todos los estándares de protección contra sobretensión. Aún cuando hemos mencionado varios estándares en este
módulo, es importante que usted los examine con detalles.
Resumen de los
Estándares
Estándar
UL 1449
Fecha de
Revisión
2da
edición:
1996
UL 497, 497A, Varias
497B
ANSI/IEEE
C62.41
1991
IEEE 1100
1992
NEMA LS-1
1992
NFPA 780
1992
Propósito
Pruebas de
Seguridad
Especifica materiales y métodos
de construcción seguros para
ofrecer seguridad de producto
para dispositivos de protección
contra transitorios utilizados en
líneas de alimentación CA.
Prueba de
Revisa los valores nominales de
Sobrecorriente tensión transmitida utilizando
ondas de prueba de pequeña
“sobrecorriente”.
Observación: Este estándar no
requiere de una prueba de
sobrecorriente máxima ni de
probar el desempeño de los
dispositivos de protección contra
transitorios.
Estándar de seguridad para protectores primarios
en líneas telefónicas, bucles de señales aislados y
protección contra transitorios que se utilizan en
líneas de comunicación/datos. No se efectúan
pruebas de desempeño en línea de comunicación/
datos.
El documento ANSI “Práctica Recomendada en
Sobretensiones en Circuitos de Potencia CA de
Baja Tensión” define las pruebas de sobretensión
recomendada.
Este Libro Esmeralda, intitulado “Práctica
Recomendada para Alimentación y Conexión a
Tierra de Equipo Electrónico Sensible” es el libro de
referencia estándar para soluciones de calidad de
energía a escala de una planta.
Guía del Comité Técnico de NEMA para
especificación de dispositivos de protección contra
transitorios, incluyendo parámetros físicos y
operativos.
Recomendaciones de Código de Protección contra
Rayos para el uso de dispositivo de protección
contra transitorios en la acometida de una
instalación.
Página 23
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
A continuación vamos a considerar algunos de estos estándares con mayores detalles. El estándar UL 1449, primera Edición, es para todos los equipos colocados en el lado de carga del servicio eléctrico CA, y en toda la
instalación para sistemas de distribución de baja tensión. Incluye tanto productos físicamente alambrados como enchufados.
Para ser clasificado según UL, un supresor debe pasar una docena de pruebas de desempeño, incluyendo:
•
Supresión de transitorios
•
Ciclo de trabajo
•
Temperatura
•
Corriente de fuga
•
Sobretensión
•
Continuidad de conexión a tierra
Debe también satisfacer estándares de seguridad en áreas tales como:
•
Construcción de gabinete
•
Protección contra corrosión
•
Aislamiento
•
Alambrado interno
•
Conexión a tierra
UL lleva a cabo también una prueba de tensión transmitida, y asigna al supresor
una Clasificación de Tensión Suprimida. Es importante observar que estas
clasificaciones son clasificaciones de componentes solamente, no la clasificación de tensión transmitida real del sistema de distribución eléctrica.
Esto significa que la longitud de conductor de la instalación y la protección contra
sobrecorriente no se toman en cuenta.
UL 1449 2da Edición
La esencia de los procedimientos de prueba permaneció sin cambio en la 2da
Edición. Sin embargo, algunos procedimientos fueron actualizados.
Se realizó un cambio sustancial en la metodología de prueba de sobretensión. Una sobrecorriente para dispositivos físicamente alambrados fue
cambiada de 3,000 amperes a 500 amperes, correspondiendo al estándar aplicado a dispositivos enchufables.
Pruebas de falla anormales adicionales fueron agregadas. El dispositivo de
protección contra transitorios está expuesto a una tensión alta para asegurar que
la unidad no falla de una manera insegura.
UL 497, 497A y 497B
UL 497 es un estándar de seguridad para proteger a la gente, no los dispositivos. Mientras que los protectores de UL 497 deben proteger a la gente, no
están diseñados con seguridad tomando en cuenta un equipo electrónico sensible.
Como tal, UL 497 no es realmente nuestra preocupación esencial. Sin
embargo, es bueno que usted esté familiarizado con el estándar.
UL 497 es el estándar de seguridad para protectores primarios de telecomunicaciones de par individual o pares múltiples. Cada línea telefónica proporcionada por un operador de teléfono debe tener un protector T1 aprobado según
UL que cumple con NEC Artículo 800. Este protector primario es un requerPágina 24
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
imiento de seguridad diseñado para proteger al personal contra un potencial o
corriente excesiva en líneas telefónicas, causado por rayo, contactos de conductor de energía, y elevaciones en el potencial de tierra.
Supresores de transitorios que cumplen con este estándar son listados ya sea
como 497A o UL 497B. Veamos rápidamente cada uno de ellos.
UL 497A se aplica a protectores secundarios para circuitos de teléfono y
comunicaciones. Tales protectores se contemplan para su uso en el lado protegido de las redes de telecomunicaciones con menos de 150 volts RMS de operación a tierra, considerando que los protectores primarios están en su lugar. Se
utilizan protectores secundarios en la acometida de la instalación, o bien en otras
áreas que requieren de protección para equipo de comunicaciones.
UL 497B se aplica a comunicación de datos y protectores de circuito de
alarma contra incendios (circuitos que inician la alarma o que indican alarma).
Esto incluye la mayoría de los protectores de línea de datos en la industria eléctrica.
ANSI/IEEE C62.41
Este documento describe un entorno de sobretensión típico, con base en los factores siguientes:
•
Ubicación dentro de una instalación
•
Impedancia de línea de suministro de energía eléctrica al transitorio
•
Longitud total de alambre
•
Proximidad
•
Tipo de cargas eléctricas
•
Calidad de alambrado
•
Ubicación geográfica
No especifica una prueba de desempeño sino que incluye formas de onda
estandarizadas para su uso para probar un equipo de protección.
Figura 14. Onda de Combinación (corriente), Mostrada a la Izquierda, y Onda Resonante
La forma de onda de combinación es un impulso unipolar, similar a un rayo. El
tiempo de elevación de esta onda de corriente es de 8 microsegundos.
La forma de onda resonante es una forma de onda oscilante que ocurre muy frecuentemente en una instalación.
La amplitud y energía disponible de las formas de onda estándares dependen de
la ubicación en una instalación. Por ejemplo, el estándar clasifica las ubicaciones en tres categorías:
Página 25
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Figura 15. Categorías A, B y C de Ubicación
Esta tabla describe las formas de onda de transitorios de prueba de categoría A,
B y C.
Categoría
A3
B3
C3
IEEE 1100 (1992)
Tensión (V) Corriente (A)
Onda Vibratoria
6,000
6,000
20,000
0.5 µS x 100kHz
200
500
N/A
Onda de Combinación
(Impulso)
8 x 20 µ S (A)
N/A
3,000
10,000
El estándar IEEE 1100 se presenta en un libro esmeralda titulado “Práctica
Recomendada para Suministrar Energía Eléctrica y Conectar a Tierra Equipos Electrónicos Sensibles”. Este estándar es el libro de referencia
recomendado para soluciones de calidad de energía a escala de una planta.
El alcance definido de la publicación es “recomendar prácticas de diseño, instalación y mantenimiento para suministrar energía eléctrica y conectar a tierra equipos electrónicos sensibles utilizados en aplicaciones comerciales e industriales”.
Los capítulos siguientes se aplican a los dispositivos de protección contra transitorios:
NEMA LS-1
•
Capítulo 3, especialmente secciones 3.4.2 y 3.4.3.
•
Capítulo 4, especialmente secciones 4.4 y 4.5
•
Capítulo 8, especialmente sección 8.2
•
Capítulo 9, especialmente sección 9.11
Guía de especificaciones para aplicaciones de energía eléctrica CA de baja
tensión (menos de 1000 V). NEMA utilizó conceptos y recomendaciones a partir
de los lineamientos establecidos por IEEE y UL en el desarrollo de esta guía.
NEMA LS-1 identifica parámetros claves y procedimientos de evaluación para
especificaciones.
Algunos de los parámetros claves son:
•
Tensión de Operación Continua Máxima (MCOV)
Página 26
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
•
Modos de protección
•
Corriente de sobretensión máxima para cada modo de protección
•
Estabilización de tensión para:
•
Onda vibratoria B3
•
Impulso B3/C1
•
Impulso C3
•
Rechazo de ruido EMI (pérdida de inserción)
•
Aprobaciones de seguridad según UL (incluyendo UL 1449)
•
Entorno de aplicación
Las especificaciones de Julio y tiempo de respuesta no se mencionan como
criterios de desempeño para los dispositivos de protección contra transitorios en NEMA LS-1 ni otras organizaciones.
NFPA 780
Como se comentó arriba, NFPA 780 es el código para sistemas de protección
contra rayos. Se refiere a requerimientos de protección para instalaciones tales
como:
•
Estructuras ordinarias
•
Estructuras misceláneas y especiales
•
Entornos industriales
La sección 3-21 del código se refiere a la supresión de transitorios. Dice lo siguiente: “Dispositivos adecuados para producción de estructura deberán colocarse en acometidas eléctricas y telefónicas y en entradas de antena de
radio y televisión. Nota: Los sistemas eléctricos y los equipos dentro de la
estructura pueden requerir de una supresión adicional de transitorios”.
Página 27
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Repaso 3
Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba
de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo
que acaba de leer.
1. El componente de protección contra transitorios con la más alta capacidad de
manejo de energía es _______.
El componentes de protección contra transitorios con la menor capacidad de
manejo de energía es ________.
2. Relacione el estándar con su descripción.
A. UL 1449
1. Es una guía de especificación para aplicaciones de
energía eléctrica CA de baja tensión (debajo de
1000 V).
B. UL 497A
2. Este documento describe un entorno de sobretensión típico, e incluye formas de onda estandarizadas para su utilización para probar equipo de
protección.
C. ANSI/IEEE C62.41
3. El estándar de seguridad para todos los equipos
instalados en el lado de carga del servicio eléctrico
CA y en la instalación para sistemas de distribución
de baja tensión.
D. IEEE 1100
4. Es el código para sistemas de protección de alumbrado.
E. NEMA LS-1
5. Este estándar es el libro de referencia
recomendado para soluciones de calidad de
energía a escala de la planta. Se presenta en un
libro esmeralda titulado “Práctica Recomendada
para Suministra Energía y Conectar a Tierra Equipos Electrónicos Sensibles”.
F. NFPA 780
6. Estándar de seguridad para protectores utilizados
para evitar que transitorios dañen los circuitos
telefónicos.
Página 28
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Ayuda al Cliente
Los dispositivos de protección contra transitorios son estándares en la mayoría
de las especificaciones para instalaciones industriales y comerciales.
Criterios de
Especificación para
Protección contra
Transitorios de
Distribución
Una especificación debe enfocarse a los requerimientos esenciales de
desempeño, instalación y seguridad. Pero ¿qué criterios son importantes
cuando se especifica un dispositivo de protección contra transitorios?
Los siguientes se consideran como criterios esenciales de desempeño, seguridad
e instalación para una especificación:
Transitorio por Fase
Cutler-Hammer recomienda 250 kA por fase por acometida, 120 kA por fase para
tableros y otras ubicaciones.
Tensión transmitida
El desempeño debe ser especificado con base en las formas de onda de prueba
según tres estándares IEEE (IEEE C62.41 Categoría C3 y B3 para ondas de
combinación y B3 onda vibratoria). Especifica los valores nominales requeridos
para tensiones nominales aplicables en modos LG y L-N.
Filtro Efectivo
Con base en la prueba de calidad de inserción MIL-STD-220, la atenuación del
ruido a 100 kHz debe rebasar 50 dB (modos L-N). Especifica que resultado de
prueba se proporcionan.
Instalación Integrada
El dispositivo de protección contra transitorios debe ser instalado en fábrica como
parte del equipo de distribución. Asegura que la instalación minimiza la longitud
del conductor.
Fusibles Internos
Para seguridad y protección contra sobrecorriente, un sistema de fusibles internos de 200 kAIC debe proporcionarse.
Monitoreo y Diagnóstico Confiable
Esto debe incluir una indicación de estado a prueba de errores para cada fase.
Una opción popular es la inclusión de contactos de forma C para monitoreo
remoto.
Prueba Independiente
Para asegurar construcción y diseños confiables, especifica que todos los fabricantes sometan resultados proporcionados por un laboratorio de prueba independiente, que verifica que el dispositivo puede alcanzar los valores nominales de
transitorios publicados (con base por modo y por fase).
Para ayudarle a entender la importancia de estos criterios, vamos a contestar a
algunas de las preguntas más frecuentemente planteadas en materia de criterios
de especificación.
¿Qué es la Capacidad de
Corriente Transitoria?
La Capacidad de Corriente Transitoria es definido por NEMA LS-1 como el
impulso máximo de corriente de sobretensión 8/20 us que el dispositivo de
protección contra transitorios puede sobrevivir en base en un solo impulso,
sin afectar el desempeño o provocar una degradación de más de una desviación del 10 por ciento de la tensión de estabilización.
Página 29
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Los estándares industriales publican corriente de sobretensión por fase,
sumando los modos L-N y L-G en un sistema de Y o sumando los modos L-L y LG en un sistema Delta.
La capacidad de corriente de sobretensión es utilizada para indicar la
capacidad protectora de un diseño de dispositivo de protección contra transitorios particular y debe utilizarse en una base por fase y por modo
cuando se especifica un dispositivo de protección contra transitorios para
una aplicación dada.
¿Qué Capacidad de
Corriente de
Sobretensión Se
Requiere?
La capacidad de corriente de sobretensión depende de la aplicación y la
cantidad de protección requerida. La ubicación geográfica de la instalación y la
exposición a transitorios debe considerarse. Asimismo, se debe considerar que
tan crítico es el equipo para la instalación en términos de tiempo perdido y costos
de reparación.
Con base en la información disponible, la amplitud máxima de un transitorio relacionado con rayo en la acometida de una instalación es de 20 kV, con onda de
combinación de 10 kA (véase IEEE C62.41). Arriba de esta cantidad, la tensión
rebasará los valores nominales de Nivel de Aislamiento Básico (BIL), provocando
la formación de arcos en los conductores y/o el sistema de distribución.
Cutler Hammer recomienda 250 kA por fase para aplicaciones en acometidas (grandes instalaciones en ubicaciones de alta exposición), y 120 kA por
fase en tablero de ramales.
Si el transitorio máximo es de 10 kA, ¿por qué tantos proveedores sugieren la
instalación de un dispositivo que puede manejar hasta 250 kA por fase? La
respuesta es vida útil.
Un supresor en acometida experimentará miles de transitorios de varias magnitudes. Con base en los datos estadísticos, un supresor apropiadamente construido con una corriente nominal de transitorio de 250 kA por fase tendrá
una vida útil de más de 25 años en una ubicación de alta exposición.
Algunos fabricantes recomiendan la instalación de dispositivos de protección contra transitorios con valores nominales de transitorios de hasta 600 ó 700 kA por
fase. Este nivel de capacidad no ofrece ningún beneficio a los clientes. Un dispositivo de 400 kA por fase, tendría una vida útil de aproximadamente 500 años
en el caso de una ubicación de exposición media – mucho más allá de
parámetros de diseño razonables.
Los dispositivos de protección contra sobretensión actuales no fallan
debido a transitorios por rayos. Con base en dos décadas de experiencia, la
tasa de falla de un dispositivo de protección contra transitorios es extremadamente baja, inferior al 0.1%.
Si falla un supresor, esto se debe probablemente a una sobretensión excesiva
(transitorio de sobretensión) provocado por una falla en la línea de suministro de
energía eléctrica proporcionada por la empresa proveedora (es decir, la línea de
120 VCA nominal rebasa 180 VCA durante muchos ciclos). Un transitorio de alta
tensión severo dañará los protectores contra sobretensión y otras cargas electrónicas tales como computadoras. Si ocurre este evento poco frecuente, diga a
su empresa de suministro de energía eléctrica que investigue el asunto.
Página 30
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
¿Por qué no se deben
utilizar especificaciones
como Julio para
Comparar los
Dispositivos de
Protección contra
Transitorios?
Las especificaciones en Julio no son una especificación aprobada para dispositivo de protección contra transitorios. IEEE, IEC, y NEMA no recomiendan la utilización de especificaciones en Julio para comparar los supresores de
sobretensión puesto que pueden proporcionar información falsa y conflictiva.
Por ejemplo, en un sistema de 102 volts, se podría utilizar un varistor de óxido de
metal de 150 volts o 175 volts. Aún cuando el varistor de óxido de metal de 175
volts tiene una especificación en Julio más alta, el de 150 volts tiene una tensión
transmitida mucho más baja.
Las especificaciones en Julio dependen de la tensión transmitida, corriente de
transitorio y duración del transitorio. Cada fabricante puede utilizar una onda
de transitorio estándar diferente cuando publica las especificaciones en
Julio. Por esta razón, la industria de la calidad de la energía no recomienda el
uso de las especificaciones en Julio en las especificaciones de desempeño.
¿Por qué es importante
llevar a cabo una Prueba
Independiente?
Los fabricantes no tienen que probar sus unidades independientemente en
cuando a su especificación de capacidad de corriente de transitorio publicadas. La mayoría de las especificaciones publicadas son teóricas. Se calculan
sumando las capacidades individuales de los varistores de óxido de metal.
Por ejemplo, un fabricante puede recabar una especificación de 100 kA, pero
debido a la integridad de construcción insatisfactoria, la unidad puede ser incapaz
de compartir la corriente igualmente entre los varistores de óxido de metal. Sin
una división igual de la corriente, la vida útil no puede cumplirse.
Los especialistas en especificación deben solicitar que los fabricantes sometan
reportes de prueba independientes de laboratorios para confirmar las especificaciones de transitorios publicadas.
¿Qué es la Tensión
Transmitida?
La tensión transmitida (o bien Tensión de Estabilización) es la cantidad de
tensión que no es suprimida por el dispositivo de protección contra transitorios y pasa hacia la carga.
La tensión transmitida es una medición del desempeño de la capacidad de
un supresor de transitorios para atenuar un transitorio definido. IEEE
C62.41 tiene formas de onda de prueba específicas para acometidas y ramales.
Un fabricante debe poder proporcionar pruebas de tensión transmitida en las formas de onda claves.
Una tensión transmitida inferior ofrece una mejor protección contra transitorios
para cargas corriente abajo.
Figura 16. Ejemplo de Dispositivos de Protección contra Transitorios Integrados en un Tablero
¿Qué efecto tiene una
Instalación sobre el
Desempeño de un
Dispositivo de
Protección contra
Transitorios?
La instalación es el factor más importante para determinar la eficacia de un
dispositivo de protección contra transitorios específico.
La longitud de conector de instalación (alambrado) reduce el desempeño de una
supresor de transitorios. En términos generales, cada pulgada de conductor
agrega entre 15 y 25 volts a la tensión transmitida. Puesto que los transitorios
ocurren a altas frecuencias (aproximadamente a 100 kHz), los conductores
Página 31
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
desde la barra bus hasta el elemento de supresión crean impedancia en la
ruta del transitorio.
Las especificaciones de tensión transmitida publicadas abarcan solamente
el dispositivo o módulo. Esta especificaciones no incluyen la longitud del conductor de instalación que depende del electricista que colocó la unidad.
Por consiguiente, la tensión transmitida real para el sistema se mide en la barra
bus y se basa en dos factores:
•
la especificación del dispositivo (calidad del supresor)
•
la calidad del trabajo de instalación
Por ejemplo, vamos a considerar un dispositivo de protección contra transitorios
con un valor nominal de 500 volts. Esto es el valor nominal real solamente si el
dispositivo de protección contra transitorios está integrado en el tablero que está
protegiendo. Si está conectado a un tablero con 14 pulgadas de alambre #14, se
deberá agregar aproximadamente 200 volts a la tensión transmitida. La verdadera tensión transmitida en la barra bus será de 800 volts.
Figura 17. La Instalación Desempeña una Función Importante en
la Determinación de la Tensión Transmitida
(con base en Onda de Combinación IEEE 6KV 3KA)
¿Cuál es el Beneficio de
la Filtración?
La filtración elimina el ruido en la línea eléctrica y los transitorios resonantes mediante la adición de capacitores al dispositivo de supresión
Figura 18. El Beneficio de la Filtración
La filtración se conoce frecuentemente como “rastreo de onda sinusoidal” o “rastreo activo”. Estos son términos comerciales que no son relevantes para el
desempeño del filtro. Asimismo, no todos los dispositivos de protección contra
transitorios proporcionan filtración. Muchos dispositivos de protección contra transitorios dicen que poseen rastreo de ondas sinusoidales, contorno de ondas sinuPágina 32
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
soidales, o bien atenuación de ruido EMI/RFI pero pueden no emplear un filtro de
calidad.
Con toda la confusión con el tema, cerciórese que el fabricante puede proporcionar una prueba que el dispositivo de protección contra transitorios cumple estas
especificaciones de filtración esenciales:
MIL-STD-220A: Prueba de Pérdida de Inserción
La atenuación a 100 KHz medida en dB. Una especificación dB arriba de 40 dB (a
100 kHz) refleja un mejor desempeño. Entre más alta es la clasificación dB, mejor
es la filtración.
Tensión Transmitida - IEEE C62.41 Categoría B3 Onda Vibratoria
En un sistema de 120 volts, L-N debe ser menor que 200 volts.
¿Se requiere de
Mantenimiento para un
Dispositivo de
Protección contra
Transitorios?
¿Un Dispositivo de
Protección contra
Transitorios me
proporciona una
cobertura al 100% en
Todas las Cargas
Eléctricas?
El mantenimiento no es un requisito para un dispositivo de protección contra transitorios de calidad. Un dispositivo de protección contra transitorios de
calidad debe durar más de 25 años sin programa de mantenimiento preventivo.
El dispositivo de protección contra transitorios debe estar acompañado de
un sistema de diagnóstico que ofrecerá un monitoreo continuo de:
•
el sistema de fusibles y circuitos de protección (incluyendo neutro a tierra)
•
fallas de circuito abierto
•
sobrecalentamiento (en todos los modos) causado por empalamiento térmico)
No.
Los dispositivos de protección contra transitorios protegen contra transitorios, uno
de los tipos más comunes de perturbaciones eléctricas. Algunos dispositivos de
protección contra transitorios proporcionan también filtración para remover el
ruido de alta Frecuencia (de 50 KHz a 250 KHz).
Un dispositivo de protección contra transitorios no reduce la distorsión de
armónicas (de la 3a a la 50a armónica igual 180 a 3000 Hz).
Un dispositivo de protección contra transitorios no puede evitar el daño
causado por el golpe directo de un rayo. Ningún dispositivo puede ofrecer
esta protección. Un golpe directo por un rayo ocurre con muy poca frecuencia.
En la mayoría de los casos, los rayos provocan transitorios inducidos en la línea
de suministro de energía eléctrica, que pueden ser reducidos por el dispositivo de
protección contra transitorios.
Un dispositivo de protección contra transitorios no puede detener ni limitar
problemas causados por transitorios de alta tensión excesivos (sobretensión). Un transitorio de alta tensión es una perturbación poco frecuente causada
por una falla severa en la energía eléctrica suministrada, o un problema con la
conexión a tierra (enlace neutro-tierra insatisfactorio o inexistente). Un transitorio
de alta tensión ocurre cuando la tensión CA rebasa la tensión nominal (120 volts)
durante un período corto (de un milisegundo a algunos minutos). Si la tensión
rebasa 25% de la tensión nominal de sistema, el dispositivo de protección contra
transitorios y las demás cargas pueden ser dañados.
Un dispositivo de protección contra transitorios no ofrece energía de
respaldo durante la suspensión del suministro de energía eléctrica. Se
requiere de un Suministro de Energía Ininterrumpible (UPS) para proporcionar un
respaldo de batería.
Página 33
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
¿Qué Causa la Falla de
un Dispositivo de
Protección contra
Transitorios?
Mucha gente piensa que la causa principal de una falla de un dispositivo de protección contra transitorios es el golpe directo del rayo. Esto no es cierto. La
causa número uno de fallas de los dispositivos de protección contra transitorios
es la exposición a transitorios de alta tensión severos y perturbaciones de
sobretensión.
En condiciones de operación normales, los componentes internos de un dispositivo de protección contra transitorios están diseñados para llevar a cabo una conexión a tierra del transitorio de corta duración (microsegundo o milisegundo).
Un transitorio de alta tensión (tensión de RMS incrementada que dura de medio
ciclo a algunos segundos) o una condición de sobretensión (un transitorio de alta
tensión que dura más de algunos segundos) causa que el dispositivo de protección contra transitorios conduzca más allá de sus especificaciones. El resultado
es una reducción de la vida útil o, en casos severos, una falla del dispositivo de
protección contra transitorios.
Página 34
Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Repaso 4
Observación: Este repaso se aplica principalmente a instalaciones comerciales
e industriales.
Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba
de presentar.
1. ¿Para qué se especifica generalmente el valor nominal de transitorio?:
A. una acometida ______ kA/fase
B. un tablero de ramales ______ kA/fase
2. En sus propias palabras, explique por qué es importante obtener una prueba
independiente de un dispositivo de protección contra transitorios.
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3. Presente una lista de cinco de los siete criterios empleados para especificar
los dispositivos de protección contra transitorios.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Glosario
Ampere
Unidad de intensidad.
ANSI
Instituto Americano de Estándares Nacionales.
Nivel de Aislamiento
Básico (BIL)
La tensión que un aislamiento puede soportar. Se mide
utilizando una onda de 1.2 x 50 microsegundos.
Estabilizador
Un componente activado y desactivado por tensiones
predeterminadas.
Tensión de
Estabilización
Véase “Tensión Transmitida”.
Conductor
Un material que permite un intercambio/movimiento
muy libre de electrones de un átomo a otro.
Corriente
El flujo de electrones en la misma dirección de átomo en
átomo.
Delta
Un arreglo de conexión de motor en donde cada
devanado es alambrado extremo con extremo para
formar un circuito totalmente cerrado.
Frecuencia
El número de ciclos en un segundo de corriente alterna.
Se expresa en hertz (Hz). Por ejemplo, 60 Hz significa
60 ciclos por segundo.
Ruta de Conexión a
Tierra
La ruta en un sistema eléctrico que seguirá la energía
eléctrica hacia tierra.
Armónicas
Múltiplos de la frecuencia fundamental de la energía
CA. Cuando se agregan a la frecuencia fundamental, se
produce una forma de onda distorsionada.
IEEE
Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos.
Impedancia
La oposición aparente del flujo de corriente con
aplicación de tensión.
Tensión transmitida
La parte de un transitorio que no es suprimida por un
dispositivo de protección contra transitorios y es
transmitida a la carga.
Tensión de
Operación Continua
Máxima (MCOV)
La tensión de conexión cuando el varistor de óxido de
metal empieza a desviar la corriente a tierra.
Varistor de Óxido de
Metal (MOV)
Un componente de supresión de transitorios de estado
sólido que puede manejar grandes cantidades de
corriente y reaccionar dentro de nanosegundos.
NEC
Código Eléctrico Nacional.
NFPA
Asociación Nacional de Protección contra Incendios.
NLSI
Instituto Nacional de Seguridad en Materia de Rayos.
Distorsión por Ruido Una perturbación indeseada sobrepuesta en una señal
útil.
Sobretensión
Un transitorio de alta tensión o baja tensión que dura
más de un minuto.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Tablero
Un dispositivo de distribución de energía eléctrica
montado en pared para su uso en aplicaciones
comerciales e industriales. Ofrece control de circuito y
protección contra sobrecorriente para circuitos de
alambrado, calefacción o suministro de energía. El NEC
lo define como un tablero individual o grupo de tableros
diseñados para ensamblarse en forma de un solo
tablero; incluye buses, dispositivos automáticos para
sobrecorriente, y está equipado con o sin interruptores
para el control de circuitos de alumbrado, calefacción o
suministro de energía; diseñado para colocarse en un
gabinete colocado en o contra una pared o división y
accesible solo desde la parte frontal.
Calidad de la Energía Un término general que se refiere a muchos tipos
diferentes de perturbaciones y distorsiones de una
señal de energía. IEEE lo define como “El concepto de
suministrar energía y conectar a tierra los equipos
sensibles de una manera adecuada para la operación
de dichos equipos”.
Interferencia de
Radio Frecuencia
(RFI)
Un tipo de ruido de sistema causado por los
componentes de sistemas de comunicaciones.
Resistencia
La restricción al flujo de electrones.
RMS
Corriente Efectiva. Es la raíz cuadrada del promedio de
todas las corrientes instantáneas (corriente en cualquier
punto en la onda sinusoidal), al cuadrado.
Transitorios de Baja
Tensión
Reducciones de la tensión de corriente efectiva que
dura de medio ciclo a un minuto.
Célula de Selenio
Un dispositivo de supresión de pico antiguo elaborado
de rectificadores metálicos. Este dispositivo fue
reemplazado por el varistor de óxido de metal en los
años 1980.
Acometida
El punto en el cual la energía eléctrica entra a un
edificio.
Derivación
Un circuito en paralelo de baja resistencia utilizado para
desviar la corriente.
Diodo de Avalancha
de Silicio (SAD)
Un componente de supresión de picos de estado sólido
que es extremadamente rápido pero no tiene la
capacidad de manejar corrientes importantes. No se
utiliza comúnmente en aplicaciones CA.
Pico Transitorio
Véase “Pico”.
Estándar
Lineamientos y reglamentos para la fabricación de
equipos eléctricos.
Pico
Una distorsión de tensión simple, no repetitiva de
menos de 0.5 ciclos de duración. (Se conoce también
como “Pico transitorio”, “Transitorio”, o bien “Impulso de
Tensión”).
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Capacidad de
El impulso de corriente pico 8/20 us máximo que el
Corriente Transitoria dispositivo de protección contra transitorios puede
sobrevivir con base en un solo impulso, sin afectar el
desempeño o degradar en más de 10 por ciento la
desviación de la tensión de estabilización.
Dispositivo de
Protección contra
Transitorios (SPD)
Un dispositivo utilizado para proteger los equipos
electrónicos contra variaciones dañinas de la calidad de
la energía eléctrica.
Transitorios de Alta
Tensión
Incrementos de la tensión de una corriente efectiva que
dura menos de un ciclo hasta un minuto.
Switchboard
Un dispositivo de distribución de energía eléctrica en
piso para uso en aplicaciones comerciales e
industriales. Divide grandes bloques de corriente
eléctrica en bloques menores utilizados por los equipos
eléctricos. NEC lo define como un tablero individual
grande, marco o grupo de tableros en los cuales se
montan, en la parte frontal o posterior, o en ambas
partes, interruptores de sobrecorriente y otros
dispositivos de protección, buses e instrumentos
habituales.
Transitorio
Véase “Pico”.
Supresores de Pico
de Tensión
Transitorios (TVSS)
Véase “Dispositivo de Protección contra Transitorios”.
Transformador
Un dispositivo utilizado para incrementar o reducir un
nivel de tensión.
UL
Underwriters Laboratories.
Suministro de
Un sistema diseñado para proporcionar energía
eléctrica de manera automática, sin retardo ni
Energía
Ininterrumpible (UPS) transitorios, durante un período cuando el suministro
normal de energía eléctrica no puede funcionar de
manera aceptable.
Tensión
La fuerza aplicada a un conductor para liberar
electrones, provocando el flujo de la corriente eléctrica.
Impulso de Tensión
Véase “Pico”.
Watt
La unidad básica de energía eléctrica, indicando la
cantidad de trabajo efectuada cuando un volt causa que
un ampere pase a través de un circuito.
Y
Un arreglo de conexión de motor en donde un extremo
de cada una de las tres fases está conectado a las
demás fases internamente. El extremo restante de cada
fase es después sacado.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
Respuestas del
Repaso 1
1. La respuesta debe decir básicamente: “Un pico eléctrico o transitorio es una
perturbación eléctrica aleatoria, de alta energía y corta duración”.
2. No.
3. Tres de los siguientes: picos o transitorios, variaciones de tensión multicíclicas, distorsión por ruido, armónicas.
4. La respuesta debe decir básicamente. “Un transitorio de baja tensión puede
ser causado cuando varios motores grandes arrancan a la vez. Fallas en los
sistemas de distribución o mal funcionamiento de los equipos de las empresas de suministro de la energía eléctrica pueden también causar transitorios
de baja tensión. Los transitorios de baja tensión pueden afectar las bobinas
de los arrancadores de motor que son diseñadas para desconectarse cuando
la tensión es inferior al 85%. Los transitorios de alta tensión son provocados a
veces cuando existe una reducción repentina de cargas. Fallas individuales
de línea a tierra o la conexión de una gran batería de capacitores puede
resultar en condiciones de transitorios de alta tensión o sobretensión”.
5. No.
Respuestas del
Repaso 2
1. C
2. B
3. La respuesta debe decir básicamente. “Un enfoque en dos etapas es
recomendado por IEEE. La primera etapa es un dispositivo de protección
contra transitorios colocado en la acometida. La segunda etapa se coloca
justo antes de las cargas críticas para manejar cualquier tensión residual”.
4. La respuesta debe decir básicamente: “El dispositivo de supresión está
conectado directamente a las barras bus, eliminando la mayor parte de la
impedancia asociada con la colocación de un cable hacia un dispositivo de
supresión externo. Una impedancia más baja se traduce directamente en una
tensión transmitida menor. La longitud de conector de instalación (alambrado) reduce el desempeño de los supresores de transitorios. En términos
generales, Cada pulgada de longitud de conductor de instalación agrega
entre 15 y 25 volts a la tensión transmitida”.
Respuestas del
Repaso 3
1. MOV, SAD
Respuestas del
Repaso 4
1. A. 250
B. 100
2. A. 3
B. 6
C. 2
D. 5
E. 1
F. 4
2. La respuesta debe decir básicamente: “Los fabricantes no están obligados a
probar independientemente sus unidades para comprobar las especificaciones de capacidad de corriente de transitorios publicadas. La mayoría de
las especificaciones publicadas son teóricas, se calculan sumando las
capacidades de los varistores de óxido de metal individuales. Los especialistas en especificaciones deben solicitar que los fabricantes presenten reportes
de pruebas independientes de laboratorios confirmando los valores nominales publicados”.
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Protección contra Picos y Acondicionamiento de la
3. Cinco de los siguientes: Corriente de transitorio por fase, Tensión transmitida,
Filtro efectivo, Instalación integrada, Fusibles internos, Monitoreo y diagnósticos confiables, Prueba independiente.
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