Qué Es Una Sobretensión

8/11/2019 Qu Es Una Sobretensin

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Qu es una sobretensin?

Una sobretensin es una onda o impulso de tensin que se superpone a la tensin

nominal de la red (ver Figura J2).

Este tipo de sobretensin se caracteriza por lo siguiente (ver Figura J4):

- El tiempo de subida (tf) se mide en s.

- El gradiente S se mide en kA/s.

Estos dos parmetros afectan al equipo y producen radiaciones electromagnticas.

Adems, la duracin de la sobretensin (T) produce un aumento de energa en los

circuitos elctricos que puede destruir el equipo.

SOBRETENSIONES DE ORIGEN ATMOSFRICO

El riesgo de las cadas de rayos: algunas cifras Alrededor de la tierra se forman

constantemente entre 2.000 y 5.000 tormentas.

Estas tormentas van acompaadas de rayos, lo que constituye un riesgo grave tanto para

las personas como para los equipos. Las cadas de rayos se producen a una velocidad de

30 a 100 cadas por segundo. Cada ao, en la tierra caen alrededor de 3.000 millones de

rayos.

- Todos los aos, en todo el mundo, miles de personas sufren cadas de rayos e infinidad

de animales mueren por este motivo.

- Los rayos tambin producen un gran nmero de incendios, la mayora de los cuales se

producen en granjas, de modo que destruyen edificios y los dejan inutilizables.

- Los rayos afectan tambin a los transformadores, a los dispositivos de medida, a los

electrodomsticos y a todas las instalaciones elctricas y electrnicas en el sector

residencial e industrial.

- Los edificios altos son los que sufren ms a menudo cadas de rayos.

- El coste de las reparaciones de los daos producidos por los rayos es muy alto.

- Es difcil evaluar las consecuencias de las interrupciones producidas en las redes

informticas y de telecomunicaciones, los defectos en los ciclos de los autmatas y losdefectos en los sistemas de regulacin. Adems, las prdidas que se producen por las

paradas de maquinarias pueden tener consecuencias financieras que superen el coste del

equipamiento destruido por la cada de rayos.


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Caractersticas de las descargas producidas por rayos

La Figura J5 muestra los valores facilitados por el comit de proteccin contra rayos(comit tcnico 81 de IEC). Como se puede observar, la mitad de las cadas de rayospresentan una fuerza superior a 33 kA y el 5% son superiores a 85 kA.Por consiguiente, las fuerzas de energa son muy altas.

Es importante definir la probabilidad de la proteccin adecuada a la hora de proteger unlugar.

Adems, la corriente de un rayo es una corriente de impulso de alta frecuencia (HF) quealcanza aproximadamente un megahercio.

Los efectos de los rayos

La corriente de un rayo es por lo tanto una corriente elctrica de alta frecuencia. Ademsde una induccin importante y efectos de sobretensin, produce los mismos efectos quecualquier otra corriente de baja frecuencia en un conductor:

- Efectos trmicos: fusin en los puntos de impacto del rayo y efecto Joule, debido a la

circulacin de la corriente, lo que produce incendios.

- Efectos electrodinmicos: cuando las corrientes de los rayos circulan en conductoresparalelos, provocan fuerzas de atraccin o repulsin entre los cables, lo que produceroturas o deformaciones mecnicas (cables aplastados).

- Efectos de combustin: los rayos pueden producir que el aire se expanda y se cree unasobrepresin que se dispersa en una distancia de varias decenas de metros. Un efecto deexplosin rompe ventanas o divisiones que pueden proyectarse en animales o personas avarios metros de su posicin original. Esta onda de choque al mismo tiempo se convierteen una onda de sonido: el trueno.

- Sobretensiones conducidas tras un impacto en las lneas telefnicas o en las lneasareas elctricas.

- Sobretensiones inducidas por el efecto de radiacin electromagntica del canal del rayoque acta como antena en varios kilmetros y lo cruza una corriente de impulsoconsiderable.


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- El aumento del potencial de tierra por la circulacin de la corriente del rayo por la tierra.Esto explica las cadas de rayos indirectas por tensin de paso y los defectos de losequipos.

Sobretensiones de funcionamiento o maniobra

Un cambio brusco en las condiciones de funcionamiento establecidas de una red elctricaprovoca los fenmenos transitorios. Se trata por lo general de ondas de sobretensin deoscilacin amortiguadas o de alta frecuencia (ver Figura J2 pg. J3).

Se dice que presentan un frente lento: su frecuencia vara de varias decenas a varioscientos de kilohercios.Las sobretensiones de funcionamiento o maniobra pueden estar producidas por losiguiente:

- Sobretensiones de dispositivos de desconexin debido a la apertura de los dispositivosde proteccin (fusibles, interruptor automtico), y la apertura o el cierre de los dispositivosde control (rels, contactores, etc.).

- Las sobretensiones de los circuitos inductivos debidas a arranques o paradas demotores, o la apertura de transformadores, como los centros de transformacin de MT/BT.

- Las sobretensiones de circuitos capacitivos debidas a la conexin de bateras decondensadores a la red.

- Todos los dispositivos que contienen una bobina, un condensador o un transformador enla entrada de alimentacin: rels, contactores, televisores, impresoras, ordenadores,hornos elctricos, filtros, etc.

Sobretensiones transitorias de frecuencia industrial (ver Figura J6)

Estas sobretensiones presentan las mismas frecuencias que la red (50, 60 o 400 Hz):

- Sobretensiones producidas por defectos de aislamiento de fase/masa o fase/tierra enuna red con un neutro aislado, o por el defecto del conductor neutro. Cuando ocurre esto,los dispositivos de fase nica recibirn una alimentacin de 400 V en lugar de 230 V, o enuna tensin media: Us e = Us 1,7.

- Sobretensiones debidas a un defecto en el cable. Por ejemplo, un cable de mediatensin que cae en una lnea de baja tensin.


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- El arco de un spark-gap de proteccin de media o alta tensin produce un aumento delpotencial de tierra durante la accin de los dispositivos de proteccin. Estos dispositivos

de proteccin siguen ciclos de conmutacin automtica, lo que recrear un defecto sipersiste.

Sobretensiones producidas por descargas electrostticas

En un entorno seco, se acumulan cargas elctricas y crean un campo electrosttico muyfuerte. Por ejemplo, una persona que camine sobre moqueta con suelas aislantes secargar elctricamente con una tensin de varios kilovoltios. Si la persona camina cercade una estructura conductora, desprender una descarga elctrica de varios amperios enun periodo de tiempo de pocos nanosegundos. Si la estructura contiene elementoselectrnicos sensibles, como un ordenador, se pueden destruir sus componentes o placasde circuitos.

Principales caractersticas de las sobretensiones

La Figura J7 que aparece a continuacin resume las principales caractersticas de lassobretensiones.


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Diferentes modos de propagacin

Modo comnLas sobretensiones en modo comn se producen entre las partes activas y la tierra:fase/tierra o neutro/tierra (vase la Figura J8).

Resultan especialmente peligrosas para los dispositivos cuyas estructuras (masa) seencuentren conectadas a tierra, debido al riesgo de defecto dielctrico.

Modo diferencialLas sobretensiones en modo diferencial circulan entre los conductores activos defase/fase o fase/neutro (vase la Figura J9). Resultan especialmente peligrosas para losequipos electrnicos, los equipos informticos sensibles, etc.

2 Dispositivos de proteccin contra sobretensin


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Existen dos tipos principales de dispositivos de proteccin que se utilizan para eliminar olimitar las sobretensiones: se denominan dispositivos de proteccin principales ydispositivos de proteccin secundarios.

2.1 Dispositivos de proteccin principales (proteccin de las instalaciones contra

rayos)

La finalidad de los dispositivos de proteccin principales es proteger las instalacionescontra las cadas directas de rayos. Atrapan la corriente del rayo y la dirigen a la tierra. Elprincipio se basa en un rea de proteccin determinado por una estructura que es msalta que el resto.

Este mismo principio se aplica a cualquier efecto de pico producido por un poste, unedificio o una estructura metlica muy alta. Existen tres tipos de proteccin principal:

- Pararrayos, que constituyen los dispositivos de proteccin contra rayos ms antiguos yms conocidos.

- Cables de guarda.

- La jaula mallada o jaula Faraday.

El pararrayos

El pararrayos es una vara cnica que se coloca en la parte superior del edificio. Estconectado a tierra mediante uno o varios conductores (a menudo, pletinas de cobre)(vase la Figura J10).


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El diseo y la instalacin de un pararrayos corre a cargo del especialista.Deben tenerse en cuenta el recorrido de las tiras de cobre, las abrazaderas de prueba, lapuesta a tierra de pie de gallo para evitar que las corrientes del rayo de alta frecuencia sedispersen por la tierra, y las distancias con respecto al sistema de cableado (gas, agua,etc).

Adems, el flujo de la corriente de los rayos a la tierra inducir sobretensiones, porradiacin electromagntica, en los circuitos elctricos y en los edificios que se van aproteger. Pueden alcanzar varias decenas de kilovoltios. Por lo tanto, es necesario dividirsimtricamente las corrientes del conductor inferior en dos, cuatro o ms, para reducir almnimo los efectos electromagnticos.

Cables de guarda

Estos cables se extienden sobre la estructura que va a protegerse (vase la Figura J11).Se utilizan para estructuras especiales: plataformas de lanzamiento de cohetes,aplicaciones militares y cables de proteccin contra rayos para lneas elctricas areas dealta tensin (vase la Figura J12).


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La jaula mallada (jaula Faraday)

Este principio se utiliza para edificios sensibles que alberguen ordenadores o equipos deproduccin con circuitos integrados. Consiste en la multiplicacin simtrica del nmero depletinas descendentes fuera del edificio. Se aaden enlaces horizontales si el edificio esalto, por ejemplo, cada dos pisos (vase la Figura J13). Los dos conductores se conectana tierra mediante conexiones a tierra en cruce. El resultado es una serie de mallas de 15 15 m o 10 10 m. Esto produce una conexin equipotencial mejor del edificio y divide lascorrientes de los rayos, de modo que se reducen en gran medida los campos y la

induccin electromagntica.


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2.2 Dispositivos de proteccin secundarios (proteccin de las instalacionesinternas contra rayos)

Estos dispositivos tratan los efectos de las sobretensiones de frecuencia atmosfrica, defuncionamiento o industrial. Se pueden clasificar segn el modo en el que estnconectados en una instalacin: proteccin en serie o paralela.

Dispositivo de proteccin en serie

Se conecta en serie a los cables de alimentacin elctrica del sistema que se va aproteger (vase la Figura J14).

Transformadores

Reducen las sobretensiones inducidas y hacen que desaparezcan ciertos armnicos poracoplamiento. Esta proteccin no es muy eficaz.

Filtros

Se basan en componentes como resistencias, bobinas de inductancia y condensadores yse aplican a sobretensiones producidas por perturbaciones industriales y defuncionamiento correspondientes a una banda de frecuencia claramente definida.

Este dispositivo de proteccin no es adecuado para las perturbaciones de origenatmosfrico.

Dispositivos de absorcin de ondas

Se trata esencialmente de dispositivos compuestos por bobinas de inductancia de aireque limitan las sobretensiones y limitadores de sobretensiones que absorben lascorrientes. Estn especialmente indicados para proteger equipos informticos yelectrnicos sensibles. Slo actan contra sobretensiones. Sin embargo, sonextremadamente voluminosos y costosos. No pueden sustituir por completo a losinversores que protegen las cargas contra cortes de alimentacin.


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Acondicionadores de red y fuentes de alimentacin ininterrumpida estticas (SAI)

Estos dispositivos se utilizan principalmente para proteger equipos extremadamentesensibles, como equipos informticos, que necesitan una fuente de alimentacin elctricade alta calidad. Se pueden utilizar para regular la tensin y la frecuencia, detener lasinterferencias y garantizar un suministro elctrico continuo, incluso en el caso de que se

produzca un corte del suministro elctrico (para el SAI). Por otro lado, no estn protegidoscontra grandes sobretensiones de tipo atmosfrico, para las cuales siguen siendonecesarios los limitadores de sobretensin.

Dispositivo de proteccin paralela

El principio

El dispositivo de proteccin paralela se puede adaptar a la instalacin que se va aproteger (vase la Figura J15). Es el tipo de dispositivo de proteccin contra lasobretensin que se utiliza msa menudo.

Caractersticas principales- La tensin nominal del dispositivo de proteccin debe corresponder a la tensin de la reden los terminales de la instalacin: 230/400 V.- Cuando no se produce ninguna sobretensin, ninguna corriente de fuga debeintroducirse en el dispositivo de proteccin, que est en modo de espera.- Cuando se produce una sobretensin por encima del umbral de tensin admisible de lainstalacin que se va a proteger, el dispositivo de proteccin conduce de forma violenta lacorriente de sobretensin a la tierra limitando la tensin al nivel de proteccin Up deseado(vase la Figura J16).


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Cuando desaparece la sobretensin, el dispositivo de proteccin deja de conducir latensin y vuelve al modo de espera sin mantener corriente. Esta es la curva idealcaracterstica de U/l:

- El tiempo de respuesta (tr) del dispositivo de proteccin debe ser lo ms corto posiblepara proteger la instalacin con la mayor rapidez posible.- El dispositivo de proteccin debe tener la capacidad de poder conducir la energaproducida por la sobretensin predecible en el lugar que se va a proteger.- El dispositivo de proteccin contra las sobretensiones debe poder resistir a la corrientenominal In.

Los productos utilizados

- Limitadores de tensin.

Se utilizan en centros de transformacin de MT/BT en la toma del transformador.Como se utilizan nicamente en distribuciones con neutro aislado, pueden dirigirsobretensiones a la tierra, especialmente sobretensiones de frecuencia industrial (vasela Figura J17).


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- Limitadores de sobretensiones de BT.

Este trmino designa dispositivos muy diferentes en lo que respecta a tecnologa y autilizacin. Los limitadores de sobretensiones de BT se presentan en forma de mdulosque se instalan dentro del cuadro de BT. Tambin existen tipos de conexin y los queprotegen puntos de corriente. Garantizan la proteccin secundaria de elementoscercanos, pero disponen de poca capacidad de flujo. Algunos incluso se integran encargas, aunque no pueden proteger contra sobretensiones fuertes.

- Limitadores de sobretensiones.

Protegen las redes telefnicas o de comunicacin contra sobretensiones del exterior(rayos), as como del interior (equipo contaminante, de conmutacin, etc.).Los limitadores de sobretensiones de BT tambin se instalan en cajas de distribucin o seintegran en las cargas.

Descripcin del limitador de sobretensionesUn limitador de sobretensiones es un dispositivo que limita las sobretensionestransitorias y dispersa las ondas de corriente a la tierra para reducir la fuerza dela sobretensin y hacerla segura para las instalaciones y los equipos elctricos.El limitador de sobretensiones dispone de varios componentes no lineales,por ejemplo, varistores.El limitador elimina las sobretensiones:c En modo comn: entre fase/tierra o entre neutro/tierra.c En modo diferencial: entre fase/neutro.Cuando se produce una sobretensin que supera el umbral de Uc, el limitador desobretensiones conduce la energa a tierra en modo diferencial.El limitador de sobretensiones dispone de un dispositivo de proteccin trmicointerno que evita que se queme al final de su vida til. Gradualmente, con el usonormal y tras soportar varias sobretensiones, el limitador de sobretensionesenvejece y se convierte en un dispositivo conductor. Un indicador visual informa alusuario de la proximidad del fin de su vida til.

Algunos limitadores de sobretensiones incluyen una sealizacin a distancia.La proteccin contra cortocircuitos se garantiza cuando el limitador desobretensiones es desconectado por el automtico externo.


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3.2 Normas sobre los productosNorma internacional IEC 61643-11Dispositivo de proteccin contra sobretensiones conectado a las redes dedistribucin.Esta norma reciente (marzo de 1998) se basa en 3 normas de productos VDE 0675,NF C 61740/95, y UL1449, y se definen tres clases de ensayos tipo:c Ensayos de clase I: se realizan utilizando corriente de descarga nominal (In),tensin de choque a los impulsos 1,2/50 y corriente mxima Iimp.c Ensayos de clase II: se realizan utilizando corriente de descarga nominal (In),tensin de choque a los impulsos 1,2/50 y corriente de descarga mxima Imx.c Ensayos de clase III: se realizan utilizando la forma de onda combinada(1,2/50; 8/20).Estas 3 clases de pruebas no se pueden comparar, porque cada una tiene su origenen un pas y cada una presenta sus propias caractersticas. Adems, cadafabricante se puede referir a una de las 3 clases de ensayos tipo.

3.3 Datos de los limitadores de sobretensionessegn la norma IEC 61643-11c Clases de ensayo: Clasificacin de los ensayos de los limitadores desobretensiones.

c In: Corriente nominal de descarga; valor de cresta de una corriente de forma

de onda 8/20 s que circula por el interior del limitador. Se utiliza para laclasificacin de los limitadores para ensayo de clase II, y para el precondicinamientode limitadores en el ensayo de clases I y II.

c Imx: Corriente mxima de descarga para el ensayo de clase II; valor de cresta dela corriente de forma de onda 8/20 s que circula por el interior del limitador, y deamplitud conforme a la secuencia de ensayo de funcionamiento para la clase II.

Imx es superior a In.

c Ic: Corriente de funcionamiento permanente o corriente de fuga; circula por ellimitador que est alimentado a una tensin mxima de servicio permanente Ucpara cada modo.

c Iimp: Corriente de choque para el ensayo de clase I; valor de cresta de la corriente

de forma de onda10/350; se define por sus parmetros de corriente de cresta Ipeak y

de carga Q.c Un: Tensin de red nominal; es el valor de tensin de referencia que designa lared, por ejemplo: 230/400 V para una red trifsica.Es comn utilizar la tensin fase/neutro denominada Uo; este valor Uo es necesariopara elegir la Uc.c Uc: Tensin mxima de servicio permanente; valor mximo de la tensin eficazo continua que se puede aplicar de manera continua para el modo de proteccin

de un limitador. Es igual a la tensin asignada.

c Up: Nivel de proteccin en tensin: parmetro que caracteriza el funcionamientodel limitador para la limitacin de la tensin entre sus bornes y que se escoge deentre la lista de valores predefinidos. Este valor es superior al ms elevado obtenidopor la medida de la tensin de limitacin. Los valores ms comunes para una redde 230/400 V son: 1 kV - 1,2 kV - 1,5 kV - 1,8 kV - 2 kV - 2,5 kV.c Ur: Tensin residual; se trata del valor mximo de cresta de la tensin queaparece en los bornes de un limitador debido al paso de una corriente de descarga.

c El limitador de sobretensiones se caracteriza por Uc, Up, In y Imx (vase

la Figura J18).


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c Para probar el limitador de sobretensiones, se han definido organizaciones

de estandarizacin especficas para cada pas:v Onda de tensin

por ejemplo, 1,2/50 s (vase la Figura J19).

v Onda de corriente

Ejemplo 8/20 s (vase Figura J20).


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v Otros valores de onda

4/10 s, 10/1000 s, 30/60 s, 10/350 s...Es importante que las pruebas de los limitadores de sobretensiones se realicenutilizando el mismo valor de onda, de modo que puedan compararse.

Normas de instalacin de los limitadoresde sobretensionesc Internacional: La gua de la IEC 61643-12 se encuentra en preparacin.c Internacional: IEC 60364 instalacin elctrica en edificios.v IEC 60364-4-443: Proteccin para garantizar la seguridad.Cuando una instalacin incluye una lnea area, o bien est alimentada por una deestas lneas, debe utilizarse un dispositivo de proteccin contra sobretensionesatmosfricas si el nivel cerunico del lugar corresponde a la condicin de influenciasexternas AQ 1 (>Nk = 25 das al ao, es decir Ng = Nk/20 = 1,25).v IEC 60364-4-443-4: Eleccin del equipo para la instalacin.Esta seccin sirve de ayuda en la eleccin del nivel de proteccin Up del limitadorde sobretensiones en funcin de las cargas que se van a proteger.La tensin residual nominal de los dispositivos de proteccin no debe ser superior al

valor en la categora II de tensin mxima soportada a impulsos (vase la Figura J21):

v IEC 60364-5-534: Eleccin e implementacin de equipos elctricos.Esta seccin describe las condiciones de instalacin de los limitadores desobretensin:

Segn los sistemas de conexin a tierra: La tensin mxima en rgimenpermanente Uc de un limitador de sobretensiones no debe ser inferior a la tensinde funcionamiento nominal de sus terminales.


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En la cabecera de la instalacin: Si el limitador de sobretensin se instalaen el origen de una instalacin elctrica que recibe la alimentacin de la redde distribucin, la corriente de descarga nominal debe ser inferior a 5 kA.Si se instala un limitador de sobretensin aguas abajo desde un dispositivo deproteccin de fugas a tierra, debe utilizarse un interruptor diferencial de tipo s,con inmunidad a corrientes de impulso de menos de 3 kA (8/20 ms).

En presencia de pararrayos: Si se instala un limitador de sobretensiones,deben aplicarse las especificaciones adicionales para limitadores de sobretensin(vase IEC 61024-1 e IEC 61312-1).

Evaluacin del riesgo de la sobretensinen la instalacin a proteger

Para determinar el tipo de proteccin contra sobretensiones necesaria en unainstalacin elctrica, sugerimos el siguiente mtodo de evaluacin de riesgos.Por un lado, tener en cuenta los criterios especficos del lugar, y por otro, lascaractersticas de las cargas o receptores en la instalacin a proteger.Principio general

Al evaluar los riesgos, deben tenerse en cuenta los siguientes elementos:c El riesgo de cadas de rayos en el rea.c El tipo de la red de distribucin elctrica o de la red telefnica.c La topografa del rea.c Si existe un pararrayos.c El equipo a proteger.c Las sobretensiones de maniobra.Con estos elementos, se pueden establecer dos diagnsticos: un diagnstico de las

cargas que tienen que protegerse y un diagnstico del lugar que va a protegerse.Diagnstico del material que se desea protegerSe obtiene con la siguiente frmula:R = S + C + I (ver Figura J23)DondeR: riesgo de la carga.S: sensibilidad del equipo.C: coste del equipo.I: consecuencias de la indisponibilidad del equipo.


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Diagnstico del lugar a protegerSe obtiene con la siguiente frmula:E = Ng (1 + LBT + LMT + d) (ver Figura J24)DondeNg: Densidad de las cadas de rayos (nmero de impactos/km2/ao).Esto se puede obtener consultando un mapa que muestre la red del serviciometeorolgico especializado. Si slo encuentra la cifra del nivel cerunico (Nk)


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(nmero de das al ao en los que son audibles los truenos), puede obtener elndice de densidad de cada de rayos Ng = Nk/20.LBT: La longitud en kilmetros de las lneas de alimentacin de baja tensin areastrenzadas o desnudas que aportan el suministro elctrico a la instalacin.LMT: Parmetro que depende de la red de MT que aporta el suministro elctricoal centro de transformacin de MT/BT.d: Coeficiente que tiene en cuenta la ubicacin de la lnea area y la instalacin.

Sobretensiones de funcionamiento o maniobraLa instalacin del limitador de sobretensiones diseada para proteger contrasobretensiones atmosfricas tambin protege contra sobretensiones defuncionamiento.PararrayosEl riesgo de sobretensiones del lugar aumenta si existe un pararrayos hasta50 metros de altura en un edificio o en el rea circundante.Nota: Una estructura de 20 metros de altura, como la chimenea de una fbrica,un rbol, un poste, tiene el mismo efecto que un pararrayos; la norma EN 61024-1requiere la instalacin de un limitador de sobretensiones en el sistema de energaprincipal si el lugar que va a protegerse incluye un pararrayos.

Eleccin de la corriente mxima de descargadel limitador de sobretensiones (red de BT)Tras haber realizado estudios de riesgos de la carga (R) y del lugar (E), se

determina la corriente mxima de descarga Imx (onda 8/20) para limitadores de

sobretensiones de BT:


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c Proteccin de entrada (ver Figura J25)c Proteccin secundariaEn los dos casos siguientes, se necesita un limitador de sobretensiones deproteccin secundaria:v Si el nivel de proteccin (Up) es demasiado alto en relacin a la tensinde resistencia a los impulsos (Uchoc) del equipo de la instalacin.v Si el equipo sensible se encuentra demasiado alejado del limitadorde sobretensiones entrante d = 30 m.

Un limitador de sobretensiones de 8 kA debe instalarse en otro cofrede subdistribucin y junto a cargas sensibles.

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