Protección contra sobretensiones

Las sobretensiones destruyen a menudo instalaciones y aparatos eléctricos y electrónicos. Los daños no solo se limitan a las instalaciones industriales y profesionales sino que también se extienden hasta los aparatos de uso diario en el hogar.


Sin medida de protección eficaz contra sobretensiones hay que calcular altos costos para reparación o nueva adquisición de los dispositivos afectados.

De esta manera es comprensible que las medidas de protección para evitar destrucciones debidas a sobretensiones resulten interesantes, tanto para el hogar como para el campo industrial o profesional. Un concepto de protección eficaz contra sobretensiones abarca los campos de la alimentación de corriente, instalaciones telefónicas, instalaciones de antenas, instalaciones de recepción así como la técnica de procesamiento de datos y de mando. Es importante que todos los conductores que están conectados en un aparato se conecten con un descargador de sobretensiones apropiado.

Considerando el valor total a proteger, la instalación de aparatos de protección adecuados se amortiza por regla general, al evitar tan solo una vez la destrucción de una instalación electrotécnica o de un aparato.
Los aparatos de protección contra sobretensiones actúan no obstante múltiples veces, siempre que los parámetros de potencia no sean sobrepasados, de manera que el usuario obtiene un aprovechamiento esencialmente superior.

Generalidades

Las sobretensiones transitorias se originan como consecuencia de descargas de rayos, maniobras de conmutación en circuitos eléctricos y descargas electrostáticas. La energía que aporta la descarga de un rayo no puede ser soportada por la más robusta construcción de una alimentación de baja tensión de un edificio ni por una instalación industrial, sin medidas de protección mediante descargadores de corrientes de rayo y descargadores de sobretensiones. Las sobretensiones actúan temporalmente en el lapso de millonésimas de segundo. A pesar de todo, estas tensiones, a menudo sumamente altas, destruyen circuitos electrónicos o el aislamiento entre las pistas de circuitos impresos.

Aunque un aparato eléctrico o electrónico haya aprobado el ensayo de resistencia a tensiones eléctricas, aún no está en condiciones para poder soportar, sin destrucción, todos las acciones ambientales en cuanto a la compatibilidad electromagnética.

Para evitar que las sobretensiones puedan destruir instalaciones eléctricas, todos las interfases en peligro como entrada de señales y alimentaciones de baja tensión tienen que conectarse con aparatos de protección contra sobretensiones.

Según el caso de aplicación, se disponen componentes como, descargadores de arco, descargadores gaseosos, varistores y diodos supresores de manera individual o combinados en un circuito, ya que los componentes se diferencian en los datos de derivación y limitación.
Con la denominación “círculo de protección eficaz” (fig. 1) se especifica una medida completa para protección contra sobretensiones.

El primer paso para elaborar un concepto de este tipo es la inclusión de todos los aparatos y zonas de la instalación a proteger. Luego se evalúa el nivel de protección necesario de todos los aparatos incluidos. Fundamentalmente se distinguen los distintos tipos de circuitos según los siguientes campos:

– Alimentación de corriente
– Técnica de medida, control y regulación (MCR)
– Instalaciones de procesamiento de datos
– Telecomunicación
– Equipos emisores-receptores.

circulo proteccion

La instalación o aparato a proteger tiene que incluirse dentro de un círculo de protección imaginario, tal como representa la figura. En todos los puntos de corte “línea – círculo de protección” tienen que instalarse aparatos de protección contra sobretensiones que correspondan a los datos nominales del tipo de circuito o a la interfase del aparato a proteger correspondiente. De esta manera, la zona interior del círculo de protección queda protegida de forma que no es posible un acoplamiento de sobretensiones desde el exterior. 

Causas de sobretensiones

Las sobretensiones se originan, en la mayoría de los casos, a través de maniobras de conmutación en instalaciones eléctricas y por descarga electrostática.

Por lo demás, las descargas de rayos y con eso las destrucciones resultantes de instalaciones eléctricas y electrónicas debidas a interferencias electromagnéticas adoptan uno de los primeros puestos en las estadísticas de desperfectos de las compañías de seguros.
El acoplamiento de sobretensiones de un sistema a otro puede ser galvánico, inductivo o capacitivo.

Propagación de las sobretensiones

Acoplamiento galvánico: por medio de las impedancias comunes se acoplan sobretensiones galvánicamente desde una lugar hacia otro.
Las altas amplitudes de corrientes de rayo causan una sobretensión a través de la resistencia de tierra de una conexión equipotencial entre dos aparatos conectadas.

En los conductores que pasa una corriente de rayo se genera adicionalmente una sobretensión, que a causa de la gran velocidad de aumento de corriente se puede atribuir, según la ley UL = L .di/dt, esencialmente a la componente inductiva.

galvanico

Acoplamiento inductivo: el acoplamiento inductivo en una línea tiene lugar a través del campo magnético según el principio del transformador. Una sobretensión provoca una corriente transitoria en un conductor con una alta velocidad de aumento de la di/dt. Al mismo tiempo, alrededor de este conductor se genera un campo magnético (función del primario de un transformador). En conductores aledaños que se encuentran en la zona activa del campo magnético, se induce una sobretensión (función del secundario de un transformador).

inductivo

Acoplamiento capacitivo: el acoplamiento capacitivo tiene lugar, en principio, a través del campo eléctrico entre dos puntos con gran diferencia de potencial. Una parte o un aparato eléctricamente conductor [1] es puesto a un alto potencial debido a la descarga de un rayo, p.ej. la barra colectora de un pararrayos. Se genera un campo eléctrico entre [1] y otras partes con potencial inferior [2], p.ej. una línea de alimentación o de transmisión de señales dentro del edificio. La tensión entre [1] y [2] tiende a igualarse lo que conduce al transporte de una carga. Esto aporta un ascenso de tensión en la línea afectada [2] y en el aparato conectado a ésta.

capacitivo

Niveles de protección contra sobretensiones

Básicamente existen tres niveles de protección contra sobretensiones:

– Basta o gruesa
– Media
– Fina

Dichos niveles están delimitados por el valor de tensión de choque que soportan los dispositivos a proteger.
Según esto último, las protecciones bastas dejan una tensión residual de 4kV; las protecciones medias rondan el orden de 1kV y las protecciones finas manejan valores residuales de aproximadamente 1,5 o 2 veces la tensión nominal de la aplicación a proteger.

Primer nivel de protección FLASHTRAB: protección basta, se emplean dispositivos conocidos como descargadores de arco. Dichos dispositivos utilizan la tecnología Arc Chopping (fig. 3); ésta se basa en dos electrodos separados por un alma aislante cuya distancia de separación se va incrementando hacia sus extremos terminando en una placa de rebote. Al momento de producirse una sobretensión, se produce el arco eléctrico que se va desplazando por los electrodos hacia fuera hasta extinguirse contra la placa de rebote. Dichos dispositivos se emplean para la protección de tableros de alimentación principal donde los aparatos de maniobra soportan altos niveles de tensión de choque.

flt

Segundo nivel de protección VALVETRAB: protección media, se basa en varistores de óxido metálico (VOM). Los varistores (fig. 4)son resistencias que modifican su valor de acuerdo a la tensión aplicada entre sus bornes. Debido a su naturaleza, cuando se instala una protección por varistor, hay que tener en cuenta que siempre circula una corriente residual, la cual hace que envejezca el dispositivo y se pueda incendiar. Para evitar esto, las protecciones por varistor poseen una pletina soldada en serie entre el varistor y el bornes de conexión de la protección. Cuando se corriente residual comienza a incrementarse por el envejecimiento del dispositivo, la pletina se desuelda dejando al varistor desconectado de la alimentación evitando su destrucción.

Las protecciones por varistor están formadas por dos partes: el módulo varistor en sí y el zócalos de montaje. El módulo varistor es enchufable para permitir su fácil recambio en caso que se dañe la protección sin tener que descablear los dispositivos.

Asimismo, el módulo varistor posee una bandera de señalización local, mientras que el zócalo puede incluir un contacto inversor libre de potencial ambos para indicar la falla del dispositivo. Estas protecciones se emplean para la protección de tableros de distribución secundaria y/o tableros con dispositivos eléctricos y electrónicos de control. Tanto las protecciones de primer nivel como las de segundo nivel, se conectan en paralelo entre fase y tierra ó neutro según sea la topología de la red de alimentación.

valvetrab

Tercer nivel de protección: protección fina de aparatos, se emplean dispositivos tales como descargadores gaseosos (fig. 5) y diodos supresores (fig. 6). Los descargadores gaseosos están compuestos por un par de electrodos dentro de un encapsulados relleno con un gas noble. Esto hace que a partir del orden de los 50 volts, el gas se ionice y así derivar el exceso de corriente generado por la sobretensión.
Por su parte, los diodos de recuperación son simplemente dos diodos zener conectados en serie opuestos. De esta manera se protege contra sobretensiones de ambos lados del dispositivo, ya que un diodo zener, cuando se lo polariza en directa, se comporta como un diodo normal, es decir conduce corriente; mientras que cuando se lo polariza en inversa, tienen la característica de mantener una tensión constante entre bornes. Cabe destacar que los dispositivos de protección fina normalmente se emplean circuitos de protección combinados entre descargadores gaseosos, varistores y diodos supresores.

gas

La elección de los descargadores para protección de interfases, se rige según el tipo de tratamiento de señales, como técnica de dos, tres o cuatro conductores, la tensión máxima de señales, la resistencia a tensiones transitorias y la velocidad de transmisión.

Los circuitos de protección específicos para interfases limitan las sobretensiones aun valor tan bajo, que la tensión residual ya no representa ningún peligro para la interfase. El circuito de protección actúa generalmente, tanto en el ramal de tensión transversal como en el ramal de tensión longitudinal, es decir, entre los conductores de señales y de los conductores de señales a tierra.

diodo

Junto a las especificaciones eléctricas, estos aparatos de protección también tienen que estar adaptados mecánicamente a los interfases a proteger.

En la aplicación práctica, se utilizan numerosas técnicas de conexión diferentes. De igual modo se dispone de muchas variantes de descargadores para soluciones específicas.

fina

Interconexión de protecciones de diferente nivel


Se debe tener en cuenta que las protecciones primarias deben conectarse a una distancia no menor a los diez metros de las protecciones secundarias. De esta manera, la inductancia distribuida a lo largo de los conductores, ayuda a alcanzar más rápidamente el nivel de tensión de actuación de la protección primaria.

Si no se dejara esta distancia, la protección media podría dañarse dado que debería soportar por un tiempo muy prolongado el exceso de corriente causado por la sobretensión.

No obstante, en caso de que se tuviera que instalar todo dentro un mismo tablero, se debe adicionar entre ambas protecciones una bobina de desacoplamiento que sirve para darle tiempo suficiente a la protección basta de actuar. De esta forma, con la inductancia y las dos protecciones, se obtiene una celda µ

El inconveniente radica en que, al estar la inductancia en serie, se limita la corriente soportada por el sistema.

Una solución a esto es la utilización de protecciones de doble nivel. Estas se basan en los descargadores de arco pero adicionalmente incorporan un circuito de excitación.

Con este circuito, a partir de los 0,9 kV, se genera el arco eléctrico entre los electrodos del descargador.

El circuito de excitación se basa en un transformador multiplicador de tensión con un primario de 0,9 kV y un secundario de 4 kV.

Empleando estas protecciones de doble nivel, las cuales se conectan en paralelo entre fase y tierra ó neutro, evitamos la utilización de inductancias de desacoplamiento; con lo cual no limitamos la corriente del circuito.

Topologías de las diferentes redes de alimentación

La configuración de los sistemas para proteger redes de alimentación varía según sea la topología de la red de entrada: TT, TN ó IT. Básicamente la diferencia entre estos sistemas radica en la puesta a tierra y el neutro.

TT : El suministro de entrada posee las tres fases más el neutro, pero la tierra de la instalación a proteger difiere de la tierra del generador.

tt

TN: La línea de entrada posee las tres fases más tierra y, en la entrada de distribución secundaria, el neutro y la tierra están unidos electricamente.

tn

IT: Sólo existen las tres fases de alimentación.

it

En todos los casos se debe colocar un fusible en serie con las protecciones cuyo valor se determina en función de los fusibles o protección principal.

Preguntas más usuales

P:¿Cómo seleccionamos el tipo de protección?
R: El tipo de protección a utilizar se define según la aplicación. Las protecciones primarias, descargadores de arco, se utilizan para proteger sistemas de distribución primarios; es decir para proteger la bajada del secundario de un transformador o bien en casos de que el sistema a proteger esté expuesto a impactos de rayo directo.
Las protecciones secundarias, varistores, se emplean para proteger tableros de distribución secundaria y tableros de maniobra, es decir la entrada de alimentación de variadores de velocidad, arranques suaves, etc.
Finalmente las protecciones finas o de dispositivos son para proteger puntualmente un aparato en particular, por ejemplo las entradas de señal de un PLC.

P:¿Cómo se dimensiona una protección?
R: Para esto debemos tener en cuenta la zona donde se va a instalar dicha protección. En las protecciones primarias debemos tener en cuenta más o menos la magnitud de los rayos que hay en la zona y además debemos conocer la corriente de cortocircuito del secundario del transformador de entrada. En el caso de las protecciones secundarias es suficiente con estimar la corriente de derivación que debe soportar al momento de producirse la sobretensión.

Para la selección de las protecciones finas debemos conocer la aplicación a proteger dado que existen protecciones para antenas, líneas de datos, señales analógicas, señales discretas, etc.
En todos los casos no se debe olvidar cual será la tensión nominal de trabajo.

NOTA: el diseño y la selección de un sistema de protecciones eficaz presenta sus particularidades que deben ser tenidas en cuenta para aprovechar al máximo la inversión. Es por esto que, no solo es importante contar con los productos adecuados, sino también con un correcto asesoramiento para el dimensionamiento y diseño del sistema de protecciones.

P:¿Cuáles son los parametros más importantes de una protección contra sobretensiones?
R: Los parámetros más importantes a tener en cuenta son:
Tensión nominal: es la tensión de trabajo normal
Tensión de dimensionamiento: es la tensión a partir de la cual comienza a funcionar la protección.
Tensión residual: es el valor de tensión que se ve aguas abajo de la protección en el momento en que el dispositivo está actuado.
Corriente de derivación: es la corriente máxima capaz de conducir una protección originada por una sobretensión.

P:¿Cúantas sobretensiones soporta un dispositivo de protección?
R: Una protección bien dimensionada puede actuar más de una vez. No tiene porque dañarse con la descarga, a menos que la corriente de derivación causada por la sobretensión sea mayor que la soportada por el dispositivo.

P:¿Cómo debe ser la puesta a tierra de la instalación?
R: Es imprescindible que exista una puesta a tierra en la instalación a proteger ya que sin ésta, no se prodrían derivar los excesos de corriente a ninguna parte. Los requisitos de esta puesta a tierra no son muy altos, simplemente debe existir; no es necesario una puesta a tierra exigente como en un sistema de seguridad intrínseca. Algo muy importante es que la puesta a tierra de las protecciones esté conectada electricamente conla puesta a tierra del dispositivo a proteger; de esta forma puede asegurarse su correcto funcionamiento.

Gentileza Phoenix Contact – Argentina

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