nuevas tecnologías en la protección contra rayos y

NUEVAS TECNOLOGÍAS EN LA
PROTECCIÓN CONTRA RAYOS Y
SOBRETENSIONES
Una de las características más relevantes de la moderna sociedad industrial es la presencia
generalizada de equipos y consumidores que incluyen componentes electrónicos extremadamente
sensibles a las sobretensiones, cualquiera que sea el origen de las mismas.
Los procesos industriales, las comunicaciones e incluso la vida deméstica dependen cada vez
en mayor medida, de los mismos por lo que, cada día, cobra mayor relevancia la necesidad de
disponer de elementos de protección que aseguren la integridad y el correcto funcionamiento de los
consumidores y equipos y que aumenten el nivel general de seguridad de la instalación eléctrica en
su conjunto.
Trataremos a continuación de la protección contra rayos y sobretensiones en redes de
energía. Protección que abarca desde la descarga directa del rayo hasta pequeñas sobretensiones
inducidas en bucles de la instalación.
1. CAUSAS DE LAS SOBRETENSIONES.
Las instalaciones eléctricas pueden verse expuestas a peligros derivados de sobretensiones
por procesos de conmutación en alta tensión, por descarga de rayos, por explosiones nucleares, por
picos producidos en nuestra propia instalación y la causa más desfavorable, descargas directas de
rayo.
Aunque el rayo no es el único causante de sobretensiones si es el más destructivo. Las
sobretensiones ocasionadas por los rayos pueden clasificarse esencialmente en dos grupos:
1. Aquellas producidas por descargas directas en la instalación.
2. Aquellas producidas por descargas lejanas ó en el entorno.
1. Descarga directa a la instalacion. (Figura 1-1).
En una descarga directa del rayo, la corriente se derivará a tierra por el recorrido menos
resistivo; bien a través de los derivadores del sistema de protección contra el rayo (S.P.C.R.), o en
caso deficitario a través de caminos alternativos como la instalación eléctrica, cables de antena,...
con riesgo de deterioro o destrucción de los mismos.
Como consecuencia de la descarga directa del rayo se producen dos tipos diferentes de
sobretensiones: aparición de sobretensiones debido a la caída de tensión en la resistencia de toma
de tierra (Figura 1-1a) y aparición de sobretensiones a causa de los efectos inductivos en los bucles
de las instalaciones.(Figura 1-1b).
2. Descarga no directa a la instalación.
En cuanto a los efectos derivados de una descarga no directa se pueden considerar los
siguientes casos: descarga del rayo sobre la línea aérea de alta tensión, propagándose la onda a
través de la línea (Figura 1-2a), descarga de rayo entre nubes, que generan sobretensiones
inducidas (Figura 1-2b), y descarga de rayo en las proximidades, resultando de ellas acoplamientos e
inducciones (Figura1-2c).
Figura 1:Causas de las sobretensiones
2. CATEGORÍAS DE DESCARGADORES PARA INSTALACIONES DE BAJA TENSIÓN
Los dispositivos de protección necesarios para proteger adecuadamente la instalación
eléctrica y los equipos conectados a la misma están descritos en las normas IEC 1.312-1; E DIN
VDE 0675 parte 6, etc... Dichos dispositivos se clasifican en función de los requerimientos exigidos
según la carga energética a los que se van a someter. Es importante que los fabricantes de
protecciones especifiquen con qué tipo de onda trabajan sus equipos. No basta con especificar la
capacidad descarga máxima ya que como veremos a continuación no es lo mismo 100 kA (10/350)
que 100 kA (8/20). Lo fundamental es la energía del impulso.
Figura 2:Formas de onda
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Es imprescindible distinguir claramente entre dos grandes categorías de descargadores:
•
Descargadores de corrientes de rayo, diseñados para hacer frente a perturbaciones
con forma de onda de corriente de rayo 10/350 (IEC 1024). Se caracterizan por tener un gran poder
de derivación y valores de carga elevados con un tiempo de respuesta muy rápido. Es una
protección basta.
•
Descargadores de sobretensiones, diseñados para hacer frente a perturbaciones con
forma de onda 8/20. Estos dispositivos realizan una doble tarea: por un lado, complementan la
acción del descargador de corriente de rayo haciéndose cargo de la tensión residual del mismo, y
por otro lado, protegen a los consumidores frente a picos de sobretensión que pudieran afectarles.
Su poder de derivación es menor que el descargador de corriente de rayo y aportan un nivel de
protección mucho más fino.
3. PRINCIPIO DE PROTECCIÓN ESCALONADA
La protección de las líneas de alimentación de baja tensión consiste basicamente en disponer
una protección escalonada. La normativa internacional recoge y consagra este principio a la hora
de diseñar un sistema correcto y eficaz de protección.
Como primera etapa de protección se precisa un elemento que sea capaz de soportar la
mayor parte de la corriente de rayo y crear un entorno soportable para los descargadores conectados
posteriormente. Este objetivo lo cumplen los descargadores de clase B (clase I) que se instalan en
los puntos de conexión con la red o acometida.
La segunda etapa de protección tiene que derivar la parte restante de la onda de corriente
de choque 8/20, reduciendo las tensiones a valores tolerables para la instalación. El elemento de
protección es un dispositivo de clase C (clase II) que se instalará en la distribución.
En la tercera etapa de protección se limitan las sobretensiones que pueden ocasionarse
como consecuencia de conmutación y de inducciones. Se instalará en esta zona un dispositivo de
clase D (clase III) lo más cerca posible del equipo a proteger.
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3.1. DESCARGADORES DE CLASE B. DESCARGADORES DE CORRIENTE DE RAYO.
Figura 3:Descargador de corriente de rayo
El elemento de protección es básicamente una vía de chispas capaz de reducir la onda de
corriente de rayo 10/350 a valores tolerados, transformándola en una onda 8/20 que puede ser
soportada por los descargadores de sobretensiones dispuestos posteriormente.
Actualmente en lo que se refiere a la primera etapa de protección, existen dos tecnologías: la
tecnología con extinción del arco voltáico mediante soplado y la tecnología encapsulada.
•
Tecnología con extinción de arco voltaico: Esta tecnología conlleva un proceso de
soplado, es decir, los descargadores albergan una cámara de apagado de tal manera que
se produce una expulsión hacia el exterior de gases ionizados durante el proceso de
derivación de la corriente de rayo. Debido a esta expulsión de gas hay que mantener unas
distancias de seguridad.
•
Tecnología encapsulada: son descargadores de corriente de rayo cuyas vías de chispas
están encapsuladas y controladas por presión. No requieren ninguna medida especial
para la instalación de los mismos debido a que no se produce ningún proceso de soplado.
Ofrecen notables ventajas respecto a los anteriores, en términos de seguridad, facilidad
de instalación, espacio y precio. Es, actualmente, la tecnología más desarrollada. Otros
parámetros importantes para definir este tipo de descargadores son la capacidad de
apagado de la corriente residual, el nivel de protección y el tiempo de respuesta.
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3.2. DESCARGADORES DE CLASE C. DESCARGADOR DE SOBRETENSIONES.
Figura 4:Descargador de sobretensiones
La segunda etapa de protección, de acuerdo con el principio de protección escalonada, tiene
los siguientes cometidos:
•
•
Reducir las sobretensiones a un valor que no sea peligroso para los consumidores.
Soportar, sin destruirse, la energía de impulsos que se produce al activarse el
descargador.
Como elemento ideal de protección hay que citar el varistor de óxido metálico. Esta
resistencia, dependiente de la tensión, se encuentra permanentemente en servicio y registra incluso
mínimas sobretensiones en función del nivel de la corriente de choque. Gracias a esta característica
U/I se garantiza la activación del elemento de protección en nanosegundos.
Los descargadores de sobretensiones deben incorporar dispositivos termodinámicos de
separación que aseguren la desconexión del descargador cuando éste llegue a un valor de corriente
de fuga determinado como consecuencia de su natural envejecimiento (fugas en el material
semiconductor) que pueda ser peligroso para la instalación. Por lo tanto, resulta imprescindible tener
la seguridad de que el descargador de sobretensiones esté equipado con un dispositivo de este tipo.
El estado de fallo debe señalizarse en el mismo equipo y existe la opción adicional de señalización a
distancia a través de un contacto conmutado.
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3.3. DESCARGADORES DE CLASE D. PROTECCIÓN FINA CONTRA SOBRETENSIONES.
Figura 5:Protección a pie de equipo
La tercera fase en el concepto de zonas de protección es necesaria, siempre que entre la
distribución y el equipo a proteger exista la posibilidad de acoplamiento de sobretensiones
Hay que contar con la posibilidad del acoplamiento de sobretensiones en los conductores
entre el cuadro de distribución y el equipo a proteger, entre otros casos, cuando el cable tiene una
longitud superior a 10 metros y está tendido sin blindaje.
En caso de descarga directa de rayo al edificio, o en caso de una descarga de rayo próxima,
pueden producirse acoplamientos inductivos. También al conectar o desconectar consumidores,
pueden aparecer sobretensiones entre el conductor exterior y el neutro, lo que siempre supone un
riesgo importante para el equipo a proteger.
Estos peligros se previenen con la instalación de descargadores de sobretensiones
directamente junto al equipo a proteger.
4. PRINCIPIO DE COORDINACIÓN ENERGÉTICA
Para facilitar la interacción de estas tres zonas de protección es indispensable una
coordinación energética. Con los descargadores de corrientes de rayo y de sobretensiones hay
que alcanzar una selectividad con la que se eviten sobrecargas de los descargadores conectados
aguas abajo.
Esta coordinación se garantiza mediante el desacoplo energético de ambos tipos de
protecciones. Este desacoplo puede obtenerse de dos maneras:
1.- Mediante la impedancia de los cables de la línea como elemento de desacoplo. Dependiendo
del cableado se deducen las longitudes mínimas de conductores entre los descargadores. En el
caso de tendido separado de conductores activos y conductor de tierra con una distancia de 1 m
como mínimo, se debe disponer un recorrido de desacoplo de al menos 5 m. Si los conductores
están tendidos juntos en una misma manguera común, hay que disponer un recorrido de
desacoplo mínimo de 15 m de longitud.
2.- Si no es posible obtener el desacoplo necesario según se ha descrito anteriormente, hasta la
fecha, se instalaba, en serie con la línea a proteger, una bobina de desacoplo. En la actualidad,
las tecnologías ofrecen soluciones más eficaces, seguras y económicas. Como veremos
seguidamente, se recurre a descargadores combinados clase B+C como el nuevo DEHNventil
que integran en un solo punto la protección contra rayos y sobretensiones gracias a la moderna
tecnología ICE
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Figura 6:Instalación con bobina de desacoplo
4.1. DESCARGADORES INTEGRADOS CLASE B+C. PROTECCIÓN CONTRA RAYOS Y
SOBRETENSIONES
La imparable evolución de la técnica hace que, cada vez, resulte más frecuente encontrarnos
con instalaciones que, por una lado, requieren protección contra rayos y sobretensiones ( Clase B +
Clase C ) debido a la sensibilidad de sus equipos a estas perturbaciones, y por otro , son de muy
reducidas dimensiones, lo cuál hace imposible la aplicación de los principios anteriormente citados
por una imperativa falta de espacio.
Hasta hace muy poco tiempo, la solución que se adoptaba era la instalación, entre ambas
clases de descargadores (B+C), de un elemento de desacoplo (bobina) que permitiera el
funcionamiento coordinado de los mismos.
Siendo esta una solución técnicamente notable, presenta ciertas limitaciones pues no es
aplicable en todos los casos (consumos superiores a 63 A), implica instalar elementos en serie
(bobina de desacoplo), encarece la instalación y no siempre resuelve los problemas de espacio.
Figura 7:Antiguos desarrollos
Los descargadores integrados como el nuevo DEHNventil dan solución a todos estos
inconvenientes , resuelve todos los problemas e integra en un solo elemento todas las ventajas y
cualidades que aportan tanto los descargadores de Clase B (vías de chispas) como los varistores
(descargadores de clase C).
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Esta solución no es una alternativa a los principios de protección escalonada y coordinación
energética. Se trata, sencillamente, de un desarrollo tecnológicamente muy avanzado que,
basándose en dichos principios, da una solución eficaz, sencilla, económica y segura en aquellos
casos en que siendo neccesaria la disposición de, al menos los dos primeros niveles de protección,
las características de la instalación no permiten la disposición de las diferentes clases de
descargadores necesarios en forma escalonada y coordinada.
Figura 8:Descargador combinado
Entre las características más destacables de los descargadores combinados destacamos:
-
Alta capacidad de derivación: 100 KA (10/350)
Bajo nivel de protección: 1.5 KV
Capacidad apagado corriente consecutiva: 50 KA eff
Alta resistencia a tensiones transitorias.
Tiempo de respuesta: 100 ns
Tecnología encapsulada
Señalización del estado operativo
De este modo, disponemos de un dispositivo de protección que combina eficazmente ambas
tecnologías, lo cual le permite, por un lado, aportar protección contra sobretensiones, frecuentes pero
de baja energía, ocasionadas por procesos de conmutación o descargas atmosféricas en el entorno,
y por otro lado, cuando se trate de dominar una corriente de choque de mayor energía, se
comportará como una vía de chispas de alto rendimiento.
Estas prestaciones técnicas se obtienen a partir de una moderna tecnología que se sustancia en
una vía de chispas especial denominada FSV compuesta, a su vez, por dos vías de chispas parciales
FS1 y FS2. Estas vías de chispas están controladas mediante una unidad monitorizada.
Por lo tanto, este descargador se caracteriza por las tres propiedades que configuran la
tecnología ICE :
- Integrado: Descargador de corriente de rayo y sobretensiones en un solo elemento.
- Coordinado: Coordinación inmediata con descargadores de sobretensiones post-conectados.
- Encapsulado: No produce expulsión de gases.
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5. INSTALACIÓN DE LOS DESCARGADORES.
En redes TT se recomienda que los descargadores de corrientes de rayo y de sobretensiones
se instalen en disposición “3+1“. Es decir, se conectarán las fases y neutro a través de los
correspondientes dispositivos de protección y el conductor de neutro con el de protección a través de
un dispositivo especial de protección N-PE.
Con la utilización del descargador de corriente de rayo entre N y PE, circuito “3+1”, se
produce una corriente de cortocircuito en caso de fallo entre el conductor de fase y el neutro, de
manera que los fusibles o la proteción magnetotérmica pueden desconectar en el tiempo previsto.
Figura 9:Instalación "3+1"
Por otro lado, el valor máximo de los fusibles previos para dispositivos de protección contra
sobretensiones está indicado en las instrucciones de montaje o datos técnicos de los mismos. Los
fusibles previos para dispositivos de protección contra sobretensiones deben asegurar que el
descargador no se verá nunca afectado por un cortocircuito que sobrepase su capacidad frente a
estos defectos.
Los fusibles previos son especialmente importantes para dispositivos de protección contra
sobretensiones de clase B (descargadores de corriente de rayo). Estos descargadores deben tener
una alta capacidad nominal de descarga. Cuando el descargador de corriente de rayo actúa, una
corriente sucesiva de red a 50 Hz fluye a través del mismo. Dicha corriente debe ser extinguida
automáticamente con seguridad antes del final del proceso de descarga del mismo. Los modernos
descargadores de corriente de rayo basados en vía de chispas aseguran el apagado de la corriente
sucesiva de red hasta aproximadamente corrientes de cortocircuito de hasta 4 kAeff (50 Hz). Cuando
la corriente de cortocircuito de la instalación es mayor que la capacidad de apagado de la corriente
sucesiva de red del dispositivo de protección contra sobretensiones el fusible previo debe interrumpir
esta corriente.
No obstante existen descargadores de corriente de rayo con capacidad de apagado hasta 50
kAeff (DEHNpor Maxi. DEHNventil). Este tipo de descargador hace innecesaria la utilización previa
de fusibles, lo cual representa un importante ahorro – en dinero y espacio - y mayores facilidades de
instalación.
6. CONCLUSIÓN.
La necesidad de un sistema de protección contra corrientes de rayo y sobretensiones se verá
incrementada en virtud de la mayor sensibilidad frente a perturbaciones de equipos eléctricos y
electrónicos. Este nuevo y complejo reto ofrece al ingeniero la oportunidad de especializarse en este
campo y dar un paso adelante. La industria eléctrica debe cumplir las condiciones previas para
ofrecer al mercado los productos adecuados y trabajar en la elaboración de normativa que permita a
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los ingenieros poner en practica las medidas adecuadas para la protección contra descargas de rayo
y sobretensiones.
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