Sobretensiones en lasinstalaciones elctricas BT

Sobretensiones transitoriasUna sobretensin es una tensin elevadaque aparece en la instalacin, y que puedesuperar la tensin mxima admisibletanto en cables como en receptores. Ladescarga de un rayo sobre cualquier cableconductor provoca sobretensiones tran-sitorias en el conductor que se caracte-rizan por su corta duracin, crecimientorpido (el rayo normalizado tipo es de1,2/50 s, es decir, onda con tiempo desubida hasta el valor de cresta de 1,2 sy tiempo de bajada hasta el 50 % delvalor de cresta de 50 s) y valores decresta muy elevados (hasta varias cente-nas de kV). Esta descarga se propaga enun radio de varios kilmetros y su dis-persin en la tierra eleva su potencial,induciendo fuertes sobretensiones en loscables subterrneos y aumentando la ten-sin en las tomas de tierra. El rayo no esel nico causante de sobretensiones tran-sitorias, tambin lo son las grandes con-mutaciones de las compaas elctricas,las conmutaciones de maquinaria de granpotencia y las descargas electrostticas.

Las sobretensiones producidas porfenmenos atmosfricos llegan hasta lasinstalaciones de tres formas: Sobretensin conducida: El rayo cae direc-tamente sobre la lnea area, propagn-dose la sobretensin a lo largo de varioskilmetros. sta acaba llegando a las ins-

talaciones interiores de BT y se deriva atierra a travs de los receptores, provo-cando averas o su total destruccin. Sobretensin inducida: La radiacin emi-tida por el impacto del rayo sobre unobjeto (poste, rbol, pararrayos, etc.) pr-ximo a las lneas elctricas, induce ten-siones transitorias en stas, transmitin-dose a las instalaciones interiores. Aumento del potencial de tierra: Cuandoun rayo cae a tierra o a una estructuraconectada a tierra, la corriente de des-carga del rayo que circula por el terrenopuede elevar el potencial del terrenovarios miles de voltios.

La proteccin se realiza mediante losdescargadores de sobretensiones. Lassobretensiones pueden presentarse en elreceptor de dos formas: Modo comn (entre fase y tierra o entreneutro y tierra). Modo diferencial (entre fase y fase oentre fase y neutro). Este modo es espe-cialmente peligroso para los equiposinformticos.

Sobretensiones permanentesUna sobretensin permanente se pro-duce cuando el valor eficaz de la tensines superior al 110 % del valor nominal,mantenindose durante varios perodoso permanentemente.

Se produce debido a defectos en loscentros de transformacin o por cortedel conductor neutro, en las redes BT.En la figura 1 puede verse que tras la

rotura del neutro las cargas Z1 y Z2 que-dan en serie ante una tensin de lnea de400 V. La tensin se repartir en funcinde los valores de dichas impedancias. Enel ejemplo, suponiendo las cargas resis-tivas, la Z2 queda con 333,3 V, frente alos 230 para los que est diseada.

Estas sobretensiones permanentes pue-den conllevar la reduccin de la vida til delreceptor o su destruccin, as como la dis-minucin de la seguridad de los usuarios.

Esta es la razn por la que en las lneas3F + N se debe realizar el tendido del neu-tro con especial atencin, para evitar surotura. Esas lneas el neutro no debe llevarfusible (las fases, s; el neutro, no). El REBT,en la ITC-BT-22, en su tabla 1 establece lascondiciones de la proteccin frente a sobre-cargas y cortocircuitos, teniendo en cuentaque si se protege el neutro (en esquema TTsi el neutro es de seccin menor que lasfases), debe realizarse mediante un sistemamecnico que asegure que el neutro abredespus que las fases, y que cierra antes oa la vez que las fases (los interruptores auto-mticos cumplen esta condicin).

Estas sobretensiones se protegen conlos limitadores de sobretensiones per-manentes. Detectan la sobretensin yhacen disparar, por accionamiento mec-nico, el interruptor magnetotrmico odiferencial al que estn asociados.

Descargadores de sobretensionesNormalmente consisten en varistores, quetienen la propiedad de presentar una resis-

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Rodolfo Dufo Lpez

Los descargadores de sobretensiones permiten proteger las instalaciones elctricasy los aparatos conectados de posibles variaciones bruscas de la tensin

Proteccin frente a sobretensiones eninstalaciones de baja tensin

tencia muy elevada para las tensiones nor-males del circuito, mientras que cuandose presenta una sobretensin, la resistenciadel varistor se hace muy pequea, derivandosta a tierra y protegiendo al receptor.

Pueden conectarse en modo comn(entre fase y tierra y entre neutro y tierra)y en modo diferencial (entre fase y fase yentre fase y neutro). Tambin hay descar-gadores en modo mixto (figuras 3 y 4).

Se le suele colocar un PIA en seriepara, en el caso de que se destruya, nodejar la instalacin en cortocircuito. Enel cuadro de proteccin y mando de unavivienda se colocara entre el Interrup-tor General Automtico (IGA) y el Inte-rruptor Diferencial (ID), en modocomn, como se observa en la figura 5.

Diseo de la proteccin frentea sobretensiones transitoriasEl antiguo REBT no trataba la proteccinfrente a sobretensiones. Sin embargo, hansido y son causa de la destruccin demuchos receptores, fundamentalmenteelectrnicos e informticos.

Segn el REBT, en su ITC-BT-23,las instalaciones interiores se debernproteger contra sobretensiones, siempreque la instalacin no est alimentada poruna red de distribucin subterrnea ensu totalidad (es equivalente a red subte-rrnea la red area con conductoresaislados con pantalla metlica unida a tie-rra en sus dos extremos). Es decir, quetoda instalacin que sea alimentada por algn

tramo de lnea de distribucin area, sin pan-talla metlica unida a tierra en sus extre-mos, deber protegerse contra sobretensiones(el REBT lo llama situacin controlada).La proteccin (descargadores de sobre-tensiones) puede realizarse mediante dis-positivos colocados en las lneas areasde distribucin en BT, si estn suficien-temente prximos al origen de la insta-lacin. En caso contrario, deber insta-larse proteccin en el edificio.

En redes TT se colocarn los descar-gadores de sobretensiones entre cadaconductor activo (fases y neutro) y tie-rra. Es decir, en modo comn, para laproteccin basta (en los cuadros), y enmodo diferencial, para la proteccin fina(junto a los receptores electrnicos espe-cialmente sensibles). Tambin hay des-cargadores con ambas conexiones.

Los parmetros de un descargador desobretensiones son: Intensidad mxima, Imax: mxima inten-sidad que puede descargar sin daarse enuna ocasin. Intensidad nominal, In: intensidad queel protector puede descargar 20 veces sindaarse. Tensin nominal asignada o tensin mximaen rgimen permanente, Uc: Es la mximatensin para la cual el protector no deri-var corriente a tierra. La norma UNE20460-4-443 fija los valores mnimos parala conexin en modo comn tabla 1.

Para modo diferencial, en todos loscasos deber ser mayor que 1,07 U0 =

246 V (mxima tensin que puede haberen el sistema entre fase y neutro,teniendo en cuenta el +7 % permitido enel origen de la instalacin).

Los fabricantes suelen fabricar paramodo comn descargadores con Uc = 440V, y para modo diferencial descargado-res con Uc = 275 V. Tensin residual asignada o nivel de pro-teccin, Up: es la tensin que aparece enlos extremos del protector, cuando es atra-vesado por la intensidad nominal. Esta debeser menor que la tensin mxima tensinsoportada a impulso tipo rayo por el equipoo receptor a proteger (por ejemplo, losequipos informticos son los aparatosmenos resistentes a las sobretensiones tran-sitorias, del orden de 1 o 1,5 kV, mientrasque un motor o un electrodomstico puedesoportar del orden de 2,5 kV).

El REBT recomienda escoger losreceptores con nivel de aislamiento noinferior al de la tabla 2. No obstante, paralos de categora I hay algunos equiposcomo ordenadores personales, modem,etc., que soportan del orden de 1 kV,mientras que equipos electrnicos de pre-cisin, mdicos, instrumentacin, etc.,pueden soportar del orden de 0,5 kV.

Segn UNE 20460-4-443, se deberproteger con un nivel de proteccin de cate-gora II (la tensin residual asignada de losdescargadores deber ser menor que la quesoportan a impulsos 1,2/50 los aparatos decategora II, como electrodomsticos, etc.,es decir, 2,5 kV). Los descargadores se colo-

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AG

E F

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can en modo comn, salvo los que se insta-lan junto a los equipos receptores ms sensi-bles (categora I), que suelen colocarse enmodo diferencial o mixto. Se incorporan fusi-bles o magnetotrmicos en serie con los des-cargadores, para evitar cortes de suministro.

El protector de sobretensiones ideal ten-dra un In muy elevado y un Up muy bajo.Para asegurar que ante una sobretensinelevada (intensidad elevada) el protectorpueda derivar la corriente a tierra y que,adems, la tensin que deje pasar no seasuperior a la que soportan los receptores

ms sensibles (categora I), normalmenteno se puede realizar con un solo descarga-dor, sino que habr que realizar al menosdos escalones de proteccin: Protector 1: En la cabecera de la insta-lacin (en el cuadro general) un descar-gador basto (In = 15 o 20 kA, Imax = 40 o 65kA, Uc = 440 V, Up = 2,5 kV), en modocomn, para derivar la mayor parte de lacorriente. El parmetro fundamental delprotector de cabecera es Imax , que se eligede 40 kA si no hay pararrayos en el edifi-cio, no estamos en una zona rural o aislada

y los equipos a proteger no son estratgi-cos o de alto coste. En caso contrario, seelegira Imax = 65 kA. Protector 2: Lo ms cerca posible alequipo a proteger deber colocarse un des-cargador fino (In = 5 kA, Imax = 8 kA, Uc =440 / 275 V, Up = 0,5 a 1,5 kV), en modocomn, diferencial o mejor mixto. El par-metro fundamental del protector delsegundo escaln es Up. Si el receptor es unequipo electrnico sensible, Up deber sermenor de 1,5 kV, recomendndose 1 oincluso 0,5 kV. Si es maquinaria elctricasensible se puede dejar Up en 1,5 kV.

Para conseguir la correcta actuacincoordinada de los protectores se deberespetar una distancia mnima entre pro-tectores de 10 m, ya que el comporta-miento inductivo que presenta el cableelctrico frente a las sobretensiones, pro-voca un retraso de la intensidad para con-seguir que P1 se active primero y derivela mayor parte de la energa, y los pro-tectores secundarios P2 realicen poste-riormente la funcin de reducir el resi-dual dejado por el primer protector. Siambos descargadores estn en el mismocuadro, se colocarn entre ambos bobi-nas de desacoplo del orden de 15 H,para simular un cable de unos 15 m.

Para evitar disparos intempestivos delInterruptor Diferencial (ID), el protec-tor contra sobretensiones debe colocarseaguas arriba del ID, es decir, entre el IGAy el ID. Si se instalan aguas abajo del ID,

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RESUMENLas sobretensiones son causa del deterioro, reduccin de vida til e incluso des-truccin directa de muchos receptores, sobre todo en zonas aisladas y rurales, dondeel nivel isocerunico (nmero de rayos por kilmetro cuadrado y ao) es elevado. Elantiguo REBT no tena en cuenta la necesidad de proteccin frente a las sobreten-siones. Sin embargo, el nuevo REBT, en su ITC-BT-23, exige protectores frente asobretensiones, siempre que haya algn tramo de lnea de distribucin en BT hastanuestro edificio en disposicin de lnea area sin apantallar. Esto es muy comnen zonas rurales y tambin en zonas urbanas donde la red BT no es subterrnea.

L1

L2

L3

N

Rotura delneutro Z1

100 Z2

500

66,6 V 333,3 V

Z1 Z2

Circuito equivalen tras la rotura del neutro

L1

L2

VL = 400 V VLZ1/(Z1+Z2) =400100/(100+500) =

66,6V

VLZ1/(Z1+Z2) =400500/(100+500) =

333,3V

Figura 2. Descargador de sobretensiones tetrapolar

(3F + N).Figura 1. Sobretensin permanente debido a la rotura del neutro.

TENSIN SOPORTADA A IMPULSOS TIPO RAYO 1,2/50. Tensin de red 230/400 V

CATEGORA IV CATEGORA III CATEGORA II CATEGORA I (Contadores, aparamenta (Cables, interruptores, (Electrodomsticos, (Ordenadores, equipos

de potencia, etc.) armarios distribucin...) motores, herramientas.) electrnicos.)

6 kV 4 kV 2,5 kV 1,5 kV

Tensin mxima de rgimen Esquema permanente, Uc, para modo comn

TT > 1,5 U0 = 1,5 230 = 345 V

TN > 1,1 U0 = 1,1 230 = 253 V

IT > U = 400 V

Tabla 1.

Tabla 2.

ste ser del tipo S (selectivo, es decir,con retardo), y deber poder soportar unacorriente de choque de 3 kA.

Los conductores de conexin del des-cargador sern cortos (< 50 cm), y debe-rn ser de al menos 4 mm2 de cobre, aun-que si hay pararrayos en el edificio serecomienda 10 mm2. Deben llevar indi-cador de que han dejado de proteger. Nodeben colocarse descargadores de sobre-tensiones en locales con peligro deincendio o explosin.

EjemploCalcular la proteccin frente a sobreten-siones transitorias de una instalacin trif-sica, si la red de distribucin BT que ali-menta el edificio tiene tramos areos sinapantallar, el edificio est en zona rural y

hay equipos electrnicos monofsicos sen-sibles que soportan tensin tipo rayo delorden de 1,5 kV. Vese la solucin: Protector 1: En la cabecera de la ins-talacin (en el cuadro general) un des-cargador basto 3F + N (In = 20 kA, Imax =65 kA, Uc = 440 V, Up = 2,5 kV), en modocomn.

Protector 2: Lo ms cerca posible alequipo a proteger deber colocarse undescargador fino F + N (In = 5 kA, Imax =8 kA, Uc = 440 / 275 V, Up = 1,2 kV), enmodos comn y diferencial (mixto).

Si la distancia entre ambos escalonesde proteccin es menor de 10 m, colocarentre ambos una bobina de desacoplo de10 o 15 H.

BibliografaReglamento Electrotcnico para Baja Tensin. Real

Decreto 842/2002 de 2 de agosto de 2002.Norma UNE 20460-4-443.Jos Luis Torres Gonzlez. Riesgos y protecciones en

baja tensin. Choques, sobreintensidades y sobre-tensiones. Ediciones AENOR, 2002.

Gua Tcnica de Aplicacin del REBT. Ministerio deCiencia y Tecnologa. Septiembre 2003.http://www.ffii.nova.es/puntoinfomcyt/guia_rbt.asp

Jos Roger, Martn Riera y Carlos Roldn. TecnologaElctrica. Editorial Sntesis. 2002.

Catlogos y cuadernos tcnicos Merlin Gerin y Tele-mecanique. Grupo Schneider.

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LN Pias

Pia

Descargador desobretensiones

ID

IGA

xx

xx

Toma de tierra de masas

Cuadro de proteccin y mando

L N

Figura 5. Descargador de sobretensiones en modo

comn en el cuadro general de proteccin y mando.

L1

L2L3

N

Comn Diferencial Mixto

L

N

Comn Diferencial Mixto

Figura 4. Modos de conexin de los descargadores en sistemas monofsicos.

Int.aut.

ID

P13F+N65 kA2,5 kA

PIA

P2F+N8 kA

1,2 kV Receptoressensibles

Figura 6. Esquema de proteccin frente a sobretensiones en dos escalones.

Figura 3. Modos de conexin de los descargadores en sistemas trifsicos.

AUTORRodolfo Dufo Lpez rdufo@unizar.es

Ingeniero tcnico industrial en Electricidad(EUITI Zaragoza). Ingeniero industrial (CPS Uni-versidad de Zaragoza). En la actualidad est rea-lizando la Tesis Doctoral. Tcnico de I+D en unaempresa del sector del automvil durante un ao.Desde 1998, est trabajando como profesor desecundaria de formacin profesional (especialidadSistemas Electrotcnicos y Automticos). Desde2004, es profesor asociado del Departamento deIngeniera Elctrica del Centro Politcnico Supe-rior de la Universidad de Zaragoza.