PROTECCION CONTRA LAS SOBRETENSIONES

Lima, Mayo de 2010 Protección contra las sobretensiones transitorias

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Nota Técnica

Protección de los equipos electrónicos sensibles contra las sobretensiones transitorias

¿Qué es una sobretensión transitoria o Transitorio?

Una sobretensión transitoria, o transitorios, son breves picos de sobretensiones o perturbaciones en una forma de onda de energía que pueden dañar, o destruir el equipo electrónico en cualquier lugar: oficinas, edificio comercial, o instalaciones industriales. Los transitorios pueden alcanzar amplitudes de decenas de miles de voltios. Las sobretensiones son medidas en tiempos de microsegundos. Cada pieza de equipo eléctrico está diseñado para funcionar a una tensión nominal especificada como 120V AC, 240V AC, 480V AC de corriente alterna, y así sucesivamente. La mayoría de los equipo está diseñado para manejar pequeñas variaciones en su tensión nominal de funcionamiento estándar, sin embargo, los aumentos repentinos puede ser muy perjudicial para casi todo los equipos.

Transitorio de 6,793 Voltios registrado en un tablero principal

Fuentes de las sobretensiones transitorios ó Transitorios

Unas fuentes comunes de las sobretensiones generadas dentro de una instalación son los dispositivos interruptores de encendido. Esto puede ser cualquier elemento, desde un simple termostato (un interruptor de funcionamiento de un elemento de calefacción) hasta dispositivos que conmutan la alimentación de energía eléctrica, estos se encuentran en muchos equipos industriales.


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Los transitorios pueden originarse desde dentro o desde fuera de una instalación:

Interior:

• Es el 80% de ocurrencias, se estima, el rango de ocurrencias son muy altos en actividades industriales muy pesadas.

• Las causas son la conmutación de cargas: inductivas, capacitivas, resistivas y no lineales (Ej. Motores eléctricos, banco de condensadores, variadores, etc.)

o Arranque de motores o transformadores o Arrancadores de luces de neón y sodio o Operación de fusibles y protectores de circuitos o Operación de soldadoras o Operación de variadores o Arranque de cargas computarizadas o Banco de condensadores de corrección de potencia o Rebote de conmutación en un circuito inductivo o Etc.

Exterior:

• Conmutación en la red de la empresa que suministra la energía eléctrica • Acoplamiento magnético causado por los rayos. • Golpe directo del rayo

Niveles de sobretensiones transitorias

• Cargas capacitivas 10 kV • Electricidad estática 5 kV • Danos de cableado 3 kV • Cargas Inductivas 7 kV • Partidores y contactores 10 kV • Arresters 8 kV • Electrónica 5 kV


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¿Son las sobretensiones transitorias la causa de todos los problemas de calidad de energía?

No. Las sobretensiones transitorias o transitorios, no explican la totalidad de las cuestiones relacionadas con la calidad del energía en el mundo de hoy.

• Caídas de voltaje que duran de una fracción de segundo a pocos segundos son conocidos como huecos de voltaje (voltage sags).

• Caídas de voltaje que duran desde varios segundos a minutos se conocen como caídas de voltaje (brownouts). Ambas, huecos y caídas de tensión son más perjudiciales para el motor de lo que son para equipos basados en microprocesador.

• Un sostenido sobre-voltaje que se conoce como aumento de voltaje (voltage swells) y puede durar desde unos segundos hasta varios minutos. Condiciones sostenidas de sobre-voltaje puede ser muy perjudicial para muchos tipos de equipos, pero no son tan frecuentes como los transitorios o sobretensiones transitorias.

Los apagones son otro tipo de problema de calidad de energía que puede durar desde unos segundos hasta horas o incluso días. Supresores de sobretensiones transitorias de tensión (TVSSs) no puede evitar el daño que pueden ser causados por cortes de energía.

El equipo puede ser protegido de los efectos perjudiciales de los cortes de energía mediante la utilización de una Fuente de Alimentación Ininterrumpida (Sistemas UPSs) o por un equipo generador de energía de reserva (en standby).

Dado que es imposible evitar que las sobretensiones transitorias ingresen en un edificio o instalación industrial o bien se produzca dentro de las mismas, por esta razón se han inventando los supresores. La función del dispositivo de protección contra sobretensión transitoria (SPD) ó supresor es detener o limitar los efectos de la deficiente calidad de la energía, en los equipos electrónicos de estado sólido.

¿Cuáles son los riegos que producen los transitorios?

Las Sobretensiones transitorias o transitorios pueden dañar, deteriorar o destruir el equipo electrónico sensible en las oficinas o instalaciones industriales, las consecuencias son:

• Daños en los equipos • Equipos inactivos • Las pérdidas en las utilidades • Perdida de la productividad por tiempos inactivos

Hay tres tipos principales de efectos que los transitorios producen en sus equipos electrónicos:

Efectos de degradación Efectos perturbadores Efectos destructivos


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Efectos perturbadores:

Estos efectos suelen ser detectados cuando un transitorio entra en el equipo por acoplamiento inductivo. La fuente de energía de este acoplamiento inductivo puede actuar en las líneas de salida de los datos que integran una instalación electrónica. Los componentes electrónicos a continuación, intentan procesar el transitorio como una orden lógica válida. El resultado es:

• Errores de programa o caídas de sistemas de computadoras • Errores de datos y de trasmisión • Pérdida o daños de archivos, y una variedad de otros efectos indeseables. • Funcionamiento aleatorio de bioestable, tiristores / triacs • Borrado o alteración de los controladores lógicos programables (PLCs),

computadoras industriales, microprocesadores, etc

Efectos de degradación:

Estos efectos se asocian con los constantes esfuerzos en los componentes del CI (Circuito Integrados). Los materiales utilizados para fabricar circuitos integrados sólo pueden soportar un cierto número repetitivo de niveles de energía transitoria. Después de un tiempo, su degradación ocasiona que el dispositivo deja de funcionar correctamente. La falla se debe al aumento de la acumulación de transitorios, y que resultan en: ruptura de aislamiento, cortos circuitos, circuitos abiertos, o fallas de los semiconductores dentro del CI (circuito integrado).


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Efectos Destructivos:

Estos efectos incluyen todas las condiciones en las que los transitorios con altos niveles de energía causa una falla de forma instantánea en el equipo electrónico. Muy a menudo, hay un daño físico real aparente, como placas de circuito impreso quemado o fusión de los componentes electrónicos. En resumen los efectos son:

• Ruptura por voltaje de las uniones semiconductoras • Destrucción de la conexión e los terminales de los componentes • Destrucción de pistas o contactos de las tarjetas de circuito impreso (CI ó PCB) • Destrucción de triacks / tiristores debido a cambios de voltaje excesivo con el

transcurso del tiempo.

Por ejemplo, componentes como los diodos rectificadores pueden fallar de inmediato cuando su rango de pico inverso de voltaje (PIV) es superado. Rangos PIV de un diodo en un equipo bien diseñado puede estar en el rango de 1 kV - 1,5 kV. Transitorios en las líneas de CA puede exceder de 1,5 kV.


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¿Cuáles son los síntomas de daños por sobretensiones transitorias?

Hay varios síntomas posibles para determinar si las sobretensiones transitorias están afectando a su oficina o instalaciones industriales.

• Funcionamiento errático de computadores o microprocesadores, apagado repentino • Datos erráticos Inexplicables • Los equipos se apagan • Luces parpadeantes • Fallas prematuras en circuitos de tarjetas impresos

No existe una instalación libre de transitorios. Muchas personas no se dan cuenta que la productividad de su empresa y su rentabilidad está significativamente afectada por los efectos de los transitorios. Los problemas anteriormente descritos, resultan en miles de millones de dólares de pérdida de utilidades a las empresas cada año.

Incremento en la vida de componentes y equipos después de la instalación de los SPDs (TVSSs)

¿Qué es un SPD (Supresor)?

Dado que es imposible evitar las sobretensiones transitorias ingresan en un edificio o Instalación Industrial o se generan dentro de ella, se han desarrollados los supresores. La función del supresor es detener o limitar los efectos de la mala calidad de la energía en los dispositivos electrónicos sensibles de estado sólido.


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Los SPDs reducen y desvían los niveles de las sobretensiones transitorios. Tambien los SPDs son llamados supresores de sobretensiones transitorias (TVSS). Los SPD están diseñados para reducir los daños potenciales de los transitorios presentes en:

• Redes de datos y servidores de un ordenador • Teléfono o líneas de fax • Equipo de HVAC • Circuito cerrado de televisión por cable y canales • Cualquier otra suministro de energía o control conectado a aparatos electrónicos,

tales como fotocopiadoras, computadoras, microprocesadores. • Equipos electrónicos de proceso y automatización en general, etc.

Los supresores es una solución económicamente beneficiosa para prevenir los tiempos inactivos y daños al equipo.

Estos dispositivos son listados como tales en virtud a la norma UL1449, ANSI / IEEE C62.11

¿Cómo trabajan los SDPs? En términos simples, los dispositivos protectores contra sobretensiones transitorias (SPDs) evitan los niveles de daños de las sobretensiones transitorias, de llegar estos a los dispositivos que protegen. Una analogía útil hace esto más claro. Considere la posibilidad de un molino de agua protegido por una válvula de alivio de presión. La válvula de alivio de presión no hace nada hasta que un pulso de sobre-presión se produce en el suministro de agua. Cuando eso sucede, la válvula se abre y deriva a la presión extra a un lado, de modo que no se llega al molino de agua. Si la válvula de alivio no estuviera presente, la presión excesiva puede dañar el molino de agua. A pesar de que la válvula de alivio está en su lugar y funcionando correctamente, algunos restos del pulso de la presión todavía llega al molino. Pero la presión se ha reducido lo suficiente como para no dañar el molino de agua o interrumpir su funcionamiento. Esto describe la acción de los dispositivos de protección contra sobretensiones. Reducen los transitorios a niveles que no puede dañar o perturbar el funcionamiento del equipo electrónico sensible. Dos maneras básicos de operación de los SPDs La mayoría de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) tiene dos maneras de operación básicos:

• Awaiting (Esperando) • Diverting (Desvíando) •

En cada manera, la corriente fluye a través del supresor. Lo que no puede ser entendido, sin embargo, es que tipo diferente de corriente pueden estar en cada manera. Manera Awaiting (En espera) En situaciones normales, cuando la "energía limpia" se suministra dentro de un sistema de distribución eléctrica, el SPD realiza una función mínima. En la manera de espera, el SPD está a la espera de que algo (un transitorio) se produzca y consume poco o nada de energía alterna, principalmente utilizado por los circuitos de control.


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La manera Diverting (desviando) Al detectar un evento transitorio, el SPD cambia al modo de desvío (Diverting)(Fig. 2). El propósito de un SPD es desviar el impulso de corriente peligroso lejos de las cargas críticas, al mismo tiempo reducir su magnitud de tensión hasta un nivel bajo, nivel inofensivo. Según lo definido por ANSI/IEEE C62.41.1-2002, una típica corriente transitoria dura sólo una fracción de un ciclo (microsegundos), un fragmento de tiempo en comparación con el flujo continuo de de 60 Hz, señal sinusoidal.

- Figure 2 -

La magnitud de sobre corriente depende de su transitorio. Los SPDs están diseñados para manejar grandes sobre corrientes, la referencia de capacidad de rendimiento un producto, se ensaya con un solo impulso de sobre corriente (1). A menudo se confunde con corriente de falla, pero no tiene ninguna relación

1 (Source: NEMA LS1-1992/R2000)


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¿Dónde ubicar los SPDs para proteger a una institución o instalación industrial?

Como es imposible evitar que ingresen las sobretensiones transitorias a sus instalaciones o se produzca dentro de ellas. Al proteger una instalación contra sobretensiones, la mejor propuesta es una protección en cascada. La IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) ha desarrollado tres categorías que todas las instalaciones se pueden dividir

By identifying the various levels of potential transient exposure in a given facility and then specifying products developed in accordance with the ANSI/IEEE levels, today's purchaser is assured of a cost-effective and reliable power quality environment.

Table: ANSI/IEEE Exposure Level Categories

IEEE Category C High

Large ampacity service entranceService entrance in high lightning area Service entrance near utility substation Service entrance on grid with other large industrial users

IEEE Category

C/B High-to-Medium

Lower ampacity service entranceService entrance remotely located from utility power factor correction and grid switching High-lightning area distribution panels feeding roof-top loads

IEEE Category B Medium

Large distribution panelsNon-service entrance distribution switchboards Heavy equipment located near unprotected service entrance Panels feeding variable speed drives Non-service entrance motor control centers utilizing drives, PLCs, soft-start or electronic starters

IEEE Category

B/A Medium-to-

Low

Branch panels with heavy sensitive equipment loadsBranch panels with combination of "dirty" and sensitive loads Branch panels without up-stream protection Busway feeding sensitive loads Bus riser feeding multiple floors with critical or sensitive loads

IEEE Category A Low

Branch panels with upstream protection Branch panels with primarily sensitive electronic loading Branch panels deep within a facility


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REC0MENDACION DE LA IEEE STD 1100 PARA LA PROTECCIÓN DE UN DATA CENTER


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EJEMPLOS DE PROTECCIÓN


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120/240 VAC LA-ST120-1S1C

ESQUEMA SISTEMA DE MEDICION DE TANQUES (RTU 1)

SUGELCA

PLC

RM-ST60-1P1

UPS 3.5 KVA

VAREC

ST-SPT120-15 ST-SPT120-15

ST-TD53-16X-DIN

PDVSA CRP AMUAY

MODEMLIMITORQUE

MODEMLIMITORQUE

ST-TD53-8X-DIN

SISTEMA DE PROTECCION CONTRA PICOS DE VOLTAJES

120 VAC

LINETIERRA AMBOS LADOS

LINE16 COND


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Soluciones

Cuando los transitorios y el tipo de perturbaciones calidad de la energía han sido identificados, el verdadero dilema de seleccionar la solución adecuada comienza. La más fiable, la solución de calidad de la energía más rentable depende de las necesidades únicas de cada instalación. Lo que funciona mejor para los grandes edificios de gran altura con un gran despliegue de aire acondicionado, telecomunicaciones y redes informáticas pueden no ser el más apropiado enfoque para una fábrica industrial donde de equipos de manufactura altamente sofisticados están constantemente prendiéndose y apagándose.

Un poco de prevención

La solución más lógica para un entorno de calidad de la energía es la prevención. Cuando la protección transitoria eléctrico esté bien especificado en los planos de la instalación junto con la iluminación, HVAC y otros sistemas obligatorios, la empresa está libre de preocupación y de gastos innecesarios de los efectos de los transitorios, que pueden tener un alto costo de producción en las operaciones criticas por los daños de los equipos y el tiempo de inactividad.

Referencias

1. NEMA Surge Proteccion Institute http://www.nemasurge.com 2. UL 1149 Safety Standard forTransient Voltage Surge Suppressors 3. IEEE Std C62.41.2-2002 Recommended Practice on Characterization of Surges in

Low-Voltage (1000 V and Less) AC Power Circuits 4. Literature of SINE TAMER

Nilo Espinoza Garcia

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