Dimensionamiento de supresores de transitorios, TVSS

SUPRESORES DE TRANSIENTES TVSS.
Por: I.E MARTÍN MERCADO GOMEZ
SALES MANAGER LCS LUMINEX- LEGRAND
CONCEPTOS PRIMORDIALES:
Los supresores de transientes TVSS (Transient Voltage Surge Supressors) o dispositivos
de protección contra sobretensiones transitorias DPS (Device Protective Device) están
conceptualizados por las normas internacionales como equipos destinados a proteger las
instalaciones eléctricas contra aquellas sobretensiones generadas por fenómenos
transitorios. Estos fenómenos inesperados traen consigo consecuencias dramáticas para
las instalaciones y cargas sensibles. Por esta razón, su importancia dentro del sistema de
protecciones.
Dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias - DPS (Surge Protective Device) según
la norma NTC 4552 es un dispositivo destinado a limitar las sobretensiones transitorias, evacuando
las corrientes asociadas a dicha sobretensión.
OTROS CONCEPTOS
Sobretensión transitoria (Surge): tensión anormal entre dos puntos del sistema, que es mayor que
el valor máximo presentado entre los mismos dos puntos bajo condiciones de servicio normal.
Sistema de protección interna - SPI: es el conjunto de decisiones y dispositivos encaminados a
reducir las sobretensiones transitorias que se pueden presentar al interior de una instalación.
Rayo (Lightning): La Descarga Eléctrica Atmosférica o más comúnmente conocida como Rayo es un
fenómeno físico que se caracteriza por una transferencia de carga eléctrica de una nube hacia la
tierra, de la tierra hacia la nube, entre dos nubes, al interior de una nube o de la nube hacia la
ionosfera.
Nivel Ceráunico - NC (Keraunic Level): número de días al año en los cuales es oído por lo menos un
trueno.
Densidad de descargas a tierra - DDT: número de descargas individuales (Strokes) a tierra por
kilómetro cuadrado/año. Medida en área de 9 km2 (3 km x 3 km). Permite cuantificar la incidencia
de rayos en la zona.
Después de alinderar algunos conceptos primordiales es de vital importancia definir el concepto de
un régimen transitorio y sus orígenes: Los regímenes transitorios poseen dos causas:
1. Origen Externo
2. Origen Interno
Las sobretensiones de origen externo son ocasionadas por descargas eléctricas tipo atmosférico y
dependen directamente de las descargas por kilómetro cuadrado año asociadas con el nivel
ceráunico. Este parámetro enmarca a Colombia dentro de un caso muy especial de alta incidencia
de rayos.
Para evidenciar estos conceptos es preciso delimitar ciertos aspectos del fenómeno rayo según la
NTC 4552 así:
Los transitorios de origen interno están asociados con las sobretensiones correlacionadas con
maniobra y conmutación.
Prácticamente todas las conmutaciones en las redes industriales, y particularmente las de elevada
potencia, producen sobretensiones. La apertura de circuitos de protección o de mando
compuestos por contactores y relés, en aplicaciones de transferencia de redes, bancos de
condensadores, puesta en marcha de motores de gran potencia, encendido de soldadores y
balastros. Estas maniobras generan sobretensiones de tipo oscilatorio, de alta frecuencia y con
tiempos de amortiguación rápida. Estos transitorios pueden perturbar el funcionamiento de ciertas
cargas sensibles como computadores.
Los TVSS surgen y aparecen en el mercado como respuesta y solución a este tipo de fenómenos,
para lo cual es de vital importancia seleccionarlos adecuadamente y mucho más si consideramos que
en Colombia la actividad de rayos es bastante alta.
Para la selección, establecimiento de características, pruebas y demás temas correlativos existen
normas internacionales y algunas consideraciones en normas locales tales como:
ANSI/IEEE C62.41 Recommended Practice on Surge Voltages in Low Voltage AC Power Circuits
ASI/IEEE C 62.45 IEEE Guide of Surge Testing for Equipment Connected to Low Voltage AC Power
Circuits
ANSI/IEEE C62.33 – Standard Test Specifications for Varistors Surge Protective Devices
NTC 4552- Norma Técnica Colombiana de Protecciones Externas
RETIE- REGLAMENTO TECNICO DE INSTALACIONES ELECTRICAS..
UL1449 Segunda edición – Transient Voltage Surge Supresión
Si nos sumergimos en el régimen legislativo nuestro RETIE en materia eléctrica, vale la pena
destacar que los dispositivos de protecciones transitorias mayores y menores de 1000 Voltios,
poseen posición arancelaria controlada, por lo que estos productos deben demostrar el
cumplimiento de los requisitos exigidos mediante un Certificado de Conformidad con el RETIE
expedido por un ente de certificación acreditado por la SIC o por el mecanismo que dicha entidad
determine.
Todo transformador, línea aérea o cable subterráneo de media, alta o extra alta tensión, deben
disponer de DPS. En los demás equipos de media, alta o extra alta tensión o en redes de baja
tensión o uso final, la necesidad de DPS dependerá de una evaluación técnica objetiva del nivel de
riesgo por sobretensiones transitorias a que pueda ser sometido dicho equipo o instalación. Tal
evaluación técnica, deberá tener en cuenta entre otros factores, el uso de la instalación, la
coordinación de aislamiento, la densidad de rayos a tierra, las condiciones topográficas de la zona,
las personas que
podrían someterse a una sobretensión y los equipos a proteger.
Desde el punto de vista práctico la norma ANSI/IEEE C62.41 establece varios tópicos para la
selección de un DPS:
1.
2.
3.
4.
CLASIFICACION
NIVEL DE EXPOSICIÓN
TENSIÓN Y CONEXIÓN
CLAMPING
5. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO DE LA INSTALACIÓN
6. OTROS
1. CLASIFICACION
La norma IEEE C62.41 determina 3 categorías de utilización de los supresores que depende del
lugar donde serán instalados:
A. Como protección directa de las carga, (salidas de tomacorriente).
B. Como protección de alimentadores de gran potencia y circuitos ramales cortos. (tableros
de distribución)
C. Como protección primaria en la cabecera de la instalación contra sobretensiones externas.
Punto de entrada entre el transformador y el primer medio de desconexión.
Por otra parte la normatividad establecer los charts que definen los valores pico que han de ser
soportados por los DPS en una cantidad de 1000 eventos.
Por ejemplo un supresor clase C3 rateado por la norma para 10 KA debe estar dimensionado para
que soporte 1000 eventos de 10 KA; para lo cual los fabricantes desarrollan sus diseños y en
muchos casos bajo modelamiento americano este termina siendo de 100 o 150 KA.
Por otra parte este chart determina los tipos de onda modelados:
1. Tipo Combination wave 8/20 us en corriente y 1.2/50 us en tensión.
2. Tipo Ring wave 0.5 us/ en onda subamortiguada.
Siendo la tipo 1 la onda tipo rayo americanamente modelada para la señal tipo rayo.
2. NIVEL DE EXPOSICION
El nivel de exposición está asociado con el nivel de riesgo en cuanto a fenómeno rayo se refiere:
Los mecanismos del rayo son muy complejos, pero podemos decir de manera simplificada que se
trata de una descarga eléctrica de gran energía provocada por una diferencia del potencial entre
nubes o entre nubes y suelo. Las corrientes de rayo alcanzan valores de 10 a 300 kA, con
tiempos de aumento de unos pocos microsegundos.
No todas las zonas geográficas tienen el mismo riesgo. El riesgo local de tormenta viene
determinado por el nivel ceráunico. En la práctica, se usan mapas de densidad de caídas de rayos
que son establecidos con observaciones de los últimos cincuenta años (red metereológica) y
cuantifican la cantidad de impactos por año y por km2. (mapas isoceraúnicos- ver mapa
isoceraúnico de Colombia).
Cuando incide un rayo, su corriente produce una sobretensión impulsional que se propaga en un
radio de varios kilómetros y su dispersión en la tierra eleva su potencial, induciendo fuertes
sobretensiones en los cables subterráneos y aumentando la tensión en las tomas de tierra.
Para evidenciar estos conceptos es preciso delimitar ciertos aspectos del fenómeno rayo según la
NTC 4552 así:
El rayo es un fenómeno meteorológico de origen natural, cuyos parámetros son variables espacial
y temporalmente. La mayor incidencia de rayos en el mundo, se da en las tres zonas de mayor
convección profunda: América tropical, África central y norte de Australia. Colombia, está situada
en la Zona de Confluencia Intertropical.
Los parámetros de las rayos utilizados para encontrar el nivel de riesgo son la Densidad de
Descargas a Tierra - DDT, y la corriente pico absoluta promedio (I ) expresada en kiloamperios,
abs
asignando una mayor relevancia a la primera de éstas, debido a que existe mayor probabilidad de
que una estructura se vea afectada dependiendo de la cantidad de descargas a la que está expuesta,
que de la intensidad de las mismas.
Los valores de I
abs
y de DDT deben tener el 50 % de probabilidad de ocurrencia o menos, a partir de
2
datos multianuales. Además se debe tomar un área de 9 km (3 km x 3 km) o menos, teniendo en
cuenta la exactitud en la localización (location accuracy) y la exactitud en la estimación de la corriente
1
pico de retorno (lightning peak current accuracy) del sistema de localización de rayos .
Al encontrar la densidad de descargas a tierra con sistemas de localización confiables, implícitamente
se considera la orografía del área, es decir, montaña, ladera, plano, etc. y la latitud.
El nivel de exposición está íntimamente ligado con el nivel ceraúnico y la densidad de
Descargas.
Densidad de Descargas a Tierra (DDT): La densidad es un parámetro complementario al NC
(nivel ceraúnico), que permite cuantificar la incidencia de rayos en la zona.
Se puede utilizar la siguiente ecuación la cual presenta una mejor aproximación a los datos
medidos en Colombia, que es función del NC y tiene en cuenta la latitud δ:
DDT = (0,1 + 0,35 Senδ ) 0,6 NC
Nivel ceráunico de Colombia.
Por muchas décadas, el parámetro universalmente aceptado para caracterizar la actividad eléctrica
atmosférica de una región ha sido el Nivel Ceráunico, definido como el número de días del año en
que por lo menos es oído un trueno.
La distribución espacio-temporal del NC a todo lo largo del territorio colombiano, mediante un
estudio sistemático de datos de varios años se presenta en el Mapa de Niveles Ceráunicos.
Mientras una de las zonas más tormentosas de Europa se encuentra en los Alpes, con Niveles
Ceráunicos promedios multianuales de 30, algunas zonas de Colombia presentan promedios
superiores a 140.
Para efectos prácticos, en la sección de Publicaciones se encontraran algunos artículos en los
cuales este parámetro se encuentra involucrado.
Régimen ceraúnico colombiano - distribución espacial.
La distribución del fenómeno de tormentas eléctricas para las diversas regiones naturales del país
es:
Región del Caribe:
El nivel ceraúnico para la Guajira alta es menor a 20 tormentas eléctricas. Aumenta gradualmente
hacia a Guajira baja.
Un gradiente fuerte, mayor o igual a 120 tormentas eléctricas se pueden detectar alrededor de los
puntos más altos de la Sierra Nevada de Santa Marta. Disminuye gradualmente a 40 tormentas
eléctricas hacia las partes más bajas. En los llanos de Córdoba, Sucre, Bolívar, Magdalena y
Cesar, el nivel cambia gradualmente de 80 tormentas eléctricas a 20 tormentas eléctricas a nivel
del mar. Alrededor de Uraba así como la cordillera occidental y central, el nivel aumenta otra vez
hasta 80 tormentas eléctricas.
Región Andina.
El valle de Aburra y Medellín registran el nivel ceraúnico más alto del país con un núcleo de 140
tormentas eléctricas. Alrededor de los departamentos de Cauca y de Valle se pueden encontrar
varios núcleos con valores desde 60 a más de 100 tormentas eléctricas, la parte más baja se
encuentra en la cordillera central. El sureste del departamento de Nariño, donde la cordillera de los
Andes entra a Colombia, es una región que se caracteriza por ser de bajo nivel, con un máximo de
10 tormentas eléctricas.
El Valle del Río Magdalena presenta una región de nivel alto que funciona a lo largo del río con
valores de 100 tormentas eléctricas alrededor de del este Antioquia.
En los llanos altos de Cundinamarca y Boyacá, la actividad de tormentas eléctricas alcanza un
valor relativamente alto de 80 tormentas eléctricas. En la región vecina, una extensa región de 40
tormentas eléctricas se puede encontrar a lo largo de la cordillera oriental.
Región Pacífica.
Varios grandes núcleos se pueden encontrar (60, 80, 100 y más tormentas eléctricas) a lo largo de
la costa pacífica. Comparado con el extenso núcleo del departamento del Choco, la región
meridional (por el departamento de Nariño) se coloca en un nivel inferior. El valor aumenta del
lado costero al interior alcanzando 80 tormentas eléctricas en el centro del departamento de
Nariño.
Región del Orinoco y del Amazonas.
En los llanos orientales el nivel aumenta a partir de 40 tormentas eléctricas en el pie de la cordillera
oriental hasta 120 tormentas eléctricas en el extremo colombiano oriental. En la frontera, sistemas
progresivos de lengua vienen de Venezuela y entran a Colombia con un valor de 120 tormentas
eléctricas. Van hacia el centro donde finalmente alcanzan un valor de 60 tormentas eléctricas.
Grandes secciones del Amazonas registran valores de 40 a 60 tormentas eléctricas.
3. TENSIÓN Y CONEXIÓN
El nivel de tensión y el grupo de conexión son fundamentales y es evidente discernir si la
instalación es monofásica o trifásica y así mismo su nivel a 208V o 480 V , etc..
De la misma manera una vez se establece el nivel de tensión es esencial determinar si es conexión
“Y” o “Delta”.
4. CLAMPING
El camping o residual se define como tensión remanente del transitorio que el DPS desvía a tierra.
Cuando el supresor esta derivando la intensidad generada por una sobretensión, en sus extremos
aparece una tensión debida a su propia impedancia.
El supresor ideal debe derivar toda la corriente de descarga generada por la sobretensión y la
tensión residual generada debe ser menor que la soportada por el equipo a proteger.
Los laboratorios UL en su publicación UL 1449 define diferentes niveles de tensiones residual que
el bajo condiciones normales de utilización, el supresor deja pasar a la instalación (sobretensiones
remanentes). Entre más bajo el nivel de “tensión residual” de un supresor, será mejor. Sin
embargo, cuanto mayor sea la corriente máxima de descarga del supresor, mas alto será el valor
de la tensión residual (Clamping).
Conseguir un alto poder de descarga y un bajo valor de tensión residual en un mismo supresor es
difícil, por lo que la utilización de un único TVSS no asegura la protección de toda la instalación
donde existan equipos sensibles. Para ello se recomienda colocar 2 o más supresores de forma
coordinada: dentro del concepto de coordinación de protecciones finas.
5. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO DE LA INSTALACION
Los DPS se instalan normalmente en paralelo antes del primer medio de desconexión y esta
conexión se realiza inmediatamente aguas arriba de la protección magnetotérmica.
Dentro del proceso de filiación y selectividad en la coordinación de protecciones debe existir
perfecta correlación entre las protecciones finas (DPS) y las protecciones magnetotérmicas; para lo
cual es de vital importancia considerar la capacidad interruptiva de estos.
Se espera que una instalación eléctrica desde nivel de riesgo bajo hasta nivel de riesgo alto posea
SPI (sistema de protecciones internas); el cual incluye intrínsecamente los DPS .
Se espera que un DPS clase B desvie el transiente por maniobra y pueda manejar el clamping
después de 2500 us por la protección instalada inmediatamente aguas abajo.
En cualquier condición siempre se debe instalar una protección magnetotérmica aguas abajo del
DPS o TVSS.
6. OTROS
Existen otra serie de características que deben cumplir los DPS y que son mandatorios dentro de
lo que es la selección y la especificación de estos dispositivos:
• Tiempo de respuesta inferior a 15ns
• La energía en joules asociada con la forma de onda y el valor pico de la onda.
• Los 10 modos de protección (tres fases con neutro, tres fases con tierra, neutro –tierra y fases
entres sí).
• Modularidad en todos los modos de protección. (clase C).
• Listado UL 1449 que avala el cumplimiento de la norma ANSI/IEEE C62.41
• Los supresores o TVSS limitan o filtran la potencia inducida por estas ondas de tensión a través
de un sistema de varistores (Metal oxide Varistor – MOV) que absorben los impulsos de energía
de la sobre tensión. Los varistores son elementos de resistencia variable (o de comportamiento
no lineal), gracias a los cuales, los supresores se comportan como un cortocircuito, ante una
sobre tensión de gran magnitud (que supere su valor de tensión ajustado: Umbral de disparo),
derivando esa energía a tierra y evitando que pase por los equipos sensibles. Después de varios
impactos, la varistancia envejece y debe reemplazarse; para lo cual las especificaciones de
tensión de lo s MOV´s resultan bastante importantes..
• Corriente máxima de descarga: Es el valor de la corriente en kA, que puede pasar por el
supresor al menos una vez.
• Corriente nominal de descarga: Es la corriente de descarga (en kA) que el supresor debe
soportar como mínimo 20 impactos sin deteriorarse.
Referencias.
ANSI/IEEE C62.41 Recommended Practice on Surge Voltages in Low Voltage AC Power Circuits
ASI/IEEE C 62.45 IEEE Guide of Surge Testing for Equipment Connected to Low Voltage AC Power Circuits
ANSI/IEEE C62.33 – Standard Test Specifications for Varistors Surge Protective Devices
Horacio Torres- Elaboration and Application Of a Lightning Risk Map- CIGRE INTERNATIONAL CONFERENCE –
Septiembre de 1998
NTC 4552- Norma Técnica Colombiana de Protecciones Externas
RETIE- REGLAMENTO TECNICO DE INSTALACIONES ELECTRICAS..