Serie Básica 101 - eaton.mxpub/@mexico/documents/content/… · Protección contra Picos y...

Módulo de Aprendizaje 28:

Protección contra Picos y Acondicionamiento de la Energía
Se
rie

Bási

ca 10

1

Protección contra Picos y Acondicionamiento de la

Temario En este módulo, estudiaremos con detalles cada uno de estos temas:

Introducción 5 Proliferación de los Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido 5 El Lado Negativo de los Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido 5

Perturbaciones de la Calidad de la Energía 5 Picos o Transitorios 6 Variaciones de Tensión Multicíclicas 6 Distorsión por Ruido 7

Conexión a Tierra 7 Introducción 7 Conexión a Tierra y Producción de Picos 8

Repaso 1 9

Rayos 10

Aplicación de una Protección contra Picos 11 Utilización de una Tira contra Transitorios 11 Enfoque en Dos Etapas 13

Supresión de Picos Integrada 15

Repaso 2 17

Tecnología de Protección contra Transitorios 18 Varistor de Óxido de Metal 18 Diodo de Avalancha de Silicio 18 Célula de Selenio 19 Varistor de Óxido de Metal vs. Diodo de Avalancha de Silicio en Sistemas de Energía Eléctrica CA: Mito y Realidad 20

Estándares de Dispositivo de Protección contra Transitorios 23 Resumen de los Estándares 23 UL 1449 2da Edición 24 UL 497, 497A y 497B 24 ANSI/IEEE C62.41 25 IEEE 1100 (1992) 26 NEMA LS-1 26 NFPA 780 27

Repaso 3 28

Ayuda al Cliente 29 Criterios de Especificación para Protección contra Transitorios de Dis-tribución 29 ¿Qué es la Capacidad de Corriente Transitoria? 29 ¿Qué Capacidad de Corriente de Sobretensión Se Requiere? 30 ¿Por qué no se deben utilizar especificaciones como Julio para Comparar los Dispositivos de Protección contra Transitorios? 31 ¿Por qué es importante llevar a cabo una Prueba Independiente? 31 ¿Qué es la Tensión Transmitida? 31

Página 2


¿Qué efecto tiene una Instalación sobre el Desempeño de un Dispositivo de Protección contra Transitorios? 31 ¿Cuál es el Beneficio de la Filtración? 32 ¿Se requiere de Mantenimiento para un Dispositivo de Protección contra Transitorios? 33 ¿Un Dispositivo de Protección contra Transitorios me proporciona una cobertura al 100% en Todas las Cargas Eléctricas? 33 ¿Qué Causa la Falla de un Dispositivo de Protección contra Transitorios? 34

Repaso 4 35

Glosario 36

Respuestas del Repaso 1 39




Página 3


Bienvenido Bienvenido al Módulo 28, que trata de dispositivos de protección contra picos. Un dispositivo de protección contra picos se utiliza para proteger un equipo elec-trónico contra picos de tensión perjudiciales.

Figura 1. Las Instalaciones y los Equipos Electrónicos Están Constantemente en Riesgo por Picos de Tensión

Como en los demás módulos en esta serie, este módulo presenta pequeñas sec-ciones de material nuevo seguidas por una serie de preguntas sobre este mate-rial. Estudie el material cuidadosamente y después conteste las preguntas sin hacer referencia a lo que acaba de leer.

Usted es el mejor juez de su asimilación del material. Repase el material tan fre-cuentemente como lo considere necesario. Lo más importante es establecer una base sólida sobre la cual construir conforme pasa de tema en tema y de módulo en módulo.

Nota sobre Estilos de Fuentes

Los puntos esenciales se presentan en negritas.

Los términos del Glosario son subrayados y se presentan en cursivas la primera vez que aparecen.

Viendo el Glosario Las versiones impresas tienen el glosario al final del módulo. Usted puede tam-bién hojear el Glosario seleccionando con el mouse la marca de Glosario en el margen izquierdo.

Página 4


Introducción La popularidad de los dispositivos electrónicos de estado sólido ha crecido dramáticamente en las últimas décadas. Esto es cierto en el caso de todos los segmentos del mercado: consumidores, comercial e industrial. De hecho, aproxi-madamente la mitad de la energía eléctrica generada a escala mundial pasa a través de un dispositivo de este tipo.

Proliferación de los Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido

Considere una casa típica hoy en día. Está llena de todo tipo de equipos elec-trónicos. Televisores, Videograbadoras, hornos de microondas, equipo estere-ofónico, computadoras, etc.

Es fácil ver por qué los dispositivos electrónicos de estado sólido son tan popu-lares. Los dispositivos son pequeños. Son cómodos de usar. Son muy precisos en cuanto a su función, ofreciendo un desempeño superior. Y sin partes móviles, son excepcionalmente duraderos.

Figura 2. Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido

El Lado Negativo de los Dispositivos Electrónicos de Estado Sólido

Sin embargo, los dispositivos electrónicos de estado sólido tienen su lado negativo. Para proporcionar el funcionamiento preciso y confiable que se espera de ellos, estos dispositivos requieren de una fuente igualmente confiable de energía. Los microprocesadores se basan en señales digitales que son secuen-cias rápidas de conexión/desconexión.

Si las secuencias son distorsionadas, las señales pueden ser afectadas. El desempeño puede verse aminorado o hasta detenido. En el caso de un pico de Tensión mayor (100V-20kV), los dispositivos pueden ser dañados o destrui-dos, lo que resulta en costos de reemplazo de equipo potencialmente muy eleva-dos. Claramente, se debe resolver este problema.

Puesto que es imposible evitar la penetración de los picos de tensión en un edificio o evitar que ocurran en un edificio, se inventó la protección contra picos. La función del protector contra picos es detener (o por lo menos limitar) los efectos de una Calidad de la Energía menos que perfecta sobre los dispositivos electrónicos de estado sólido.

La protección contra picos es una solución económica para evitar el tiempo perdido y el daño al equipo. Es adecuado para cualquier instalación o carga (600 volts y menos). La protección contra picos debe de ser aplicada no sola-mente al sistema de energía eléctrica CA, sino también a las líneas de teléfono, televisión por cable y otras líneas de comunicación que entran a los hogares.

Perturbaciones de la Calidad de la Energía

La perturbación de la calidad de la energía puede encontrarse dentro de un rango de un microsegundo a un estado de equilibro constante. Un microseg-undo puede no parecer mucho tiempo pero para un equipo electrónico delicado, es toda una vida. Las perturbaciones de la calidad de la energía pueden ser causadas por las fuerzas de la naturaleza, ciclos de ARRANQUE/PARADA de los equipos, o bien dispositivos que introducen distorsiones.

Existen algunas perturbaciones muy comunes que afectan un sistema. Incluyen:

• Transitorios o Picos

• Variaciones de tensión multicíclicas (es decir, condiciones de Transitorios de Baja Tensión y Transitorios de Alta Tensión)

Página 5


• Distorsión por Ruido

• Armónicas (este tema se presenta en el Módulo 15, Administración de la Energía)

Veamos brevemente estos tipos de perturbaciones.

Picos o Transitorios Un pico eléctrico o transitorio es una perturbación eléctrica de corta duración, con alto nivel de energía, aleatoria. Por definición, es un evento de menor duración que un ciclo. Los términos comunes para transitorios son Impulso de Tensión y Pico Transitorios (un solo impulso).

Las fuentes de estos transitorios incluyen:

• Rayos

• Cargas (capacitivas e inductivas)

• Cortocircuitos

• Operación de un controlador de velocidad variable

• Operación de equipo de formación de imágenes (fotocopiadoras y escáners)

• Soladura de Arco

• Reductores de Luz

Figura 3. Forma de Onda Típica de un Impulso de Tensión

Un pico puede desplazarse en cualquier conductor metálico que penetra en un edificio. Línea eléctricas, telefónicas y de cable coaxial pueden tornarse grandes conductores de pico.

Los transitorios son de corta duración: típicamente de 0.5 - 200 microsegundos. Pueden ser por naturaleza de impulsos o oscilantes (vibratorias). Son dema-siado rápidos para ser detenidos por los interruptores de circuito o fusi-bles. Pueden dañar los dispositivos de estado sólido y corromper los datos de los microprocesadores.

La utilización de pararrayos y Dispositivo de Protección contra Transitorios (SPD), o bien Supresores de Pico de Tensión Transitorios (TVSS), pueden ayudar a miti-gar algunos de los problemas causados por los picos eléctricos.

Variaciones de Tensión Multicíclicas

Las condiciones de transitorios de baja tensión y transitorios de alta ten-sión pueden ser causadas por varias grandes cargas conectándose o desconectándose al mismo tiempo.

Un transitorio de baja tensión puede ser causado cuando varios grandes motores arrancan al mismo tiempo. Fallas en sistemas de distribución o mal funciona-miento de equipo de la empresa de suministro de energía eléctrica pueden tam-bién causar transitorios de baja tensión. Los transitorios de baja tensión pueden afectar las bobinas de los arrancadores de motores diseñados para desconec-tarse cuando la tensión baja al 85% de us valor nominal.

Página 6


Los transitorios de alta tensión son frecuentemente causados cuando ocurre una baja repentina de carga. Fallas individuales de conexión de línea a tierra o la con-exión de grandes baterías de capacitores puede resultar en condiciones de tran-sitorios de alta tensión o Sobretensión.

Figura 4. Formas de Onda para Energía CA normal, en Condición de Transitorio de Baja Tensión y Condición de Transitorio de Alta Tensión

La duración de un transitorio de baja tensión o de un transitorio de alta ten-sión es generalmente entre 1/2 ciclo y 1 minuto. (Cuando la duración rebasa un minuto, la perturbación se conoce como perturbación de baja tensión o sobretensión). Pueden causar el apagado de computadoras y PLCs o el bloqueo en un programa, puede causar que los motores se paren y cambien la abertura de contactores y relevadores. Puede también ocurrir formación de arco de ten-sión y fallas de componentes.

El uso de reguladores de tensión y acondicionadores de línea de suministro de energía eléctrica puede resolver estos problemas. Además, productos que acondicionan la energía habituales se están volviendo soluciones viables para mitigar las interrupciones y los transitorios de baja tensión.

Distorsión por Ruido La distorsión por ruido toma la forma de señales eléctricas indeseadas pre-sentes en la forma de onda de tensión de estado constante.

La Interferencia de Radio Frecuencia (RFI), producido por componentes de siste-mas de sistemas de comunicación, puede contribuir al ruido de sistema. ¿Ya ha tenido interferencias estáticas en su televisor causadas por una secadora o un radio CB cercano? Son ejemplos de RFI.

Filtros individuales o bien combinaciones de varios filtros pueden reducir el ruido en una línea para incrementar la calidad de su energía eléctrica.

Otra forma de ruido es causada por las diferencias en cuanto a potenciales de tierra en un sistema eléctrico. La supresión de picos, alambrado, protección y conexión a tierra del sistema eléctrico de un edificio, incluyendo el alambrado de comunicación, tienen un efecto importante sobre los niveles de ruido al cual están expuestos los equipos electrónicos.

Conexión a Tierra Introducción Todos los sistemas de distribución eléctrica deben estar apropiadamente

conectados a tierra para asegurar la seguridad del sistema. Otro beneficio impor-tante de una conexión a tierra correcta es una operación confiable de los equipos electrónicos.

Página 7


La electricidad toma la ruta de la menor Resistencia. Una persona que entra en contacto con un sistema eléctrico no conectado a tierra se volvería probable-mente la conexión a tierra misma y recibiría un choque de alta tensión.

La conexión a tierra es exactamente lo que su nombre indica: una conexión eléctrica con la tierra. Se logra habitualmente fijando un Conductor a un elec-trodo metálico (varilla) que es enterrado después en la tierra. Esta conexión pro-porciona una Ruta de Conexión a Tierra para todo el sistema de distribución de energía eléctrica de un edificio, desde la Acometida.

Conexión a Tierra y Producción de Picos

Puede ser fácil establecer la relación entre la conexión a tierra y la protec-ción contra picos. La conexión a tierra del sistema ofrece una ruta que puede seguir el pico, evitando daños al sistema. Si la conexión a tierra no es sólida, la protección contra picos no funcionará apropiadamente.

Imagine que un rayo cae sobre una instalación equipada con un sistema de pro-tección contra rayos, un tipo especial de sistema de protección contra picos. (Comentaremos con mayores detalles los rayos más adelante). La función del sistema de protección contra rayos es transportar la Corriente generada por el rayo a través de la instalación hacia la conexión a tierra. Esto se efectúa propor-cionando al rayo una ruta altamente conductora hacia la tierra, minimizando las rutas alternas a través de otros elementos (equipo electrónico costoso, por ejem-plo).

Si la conexión a tierra es insatisfactoria, o inoperante, la corriente generada por el rayo puede seguir una ruta mucho más dañina a través de la instalación, cau-sando daño a equipo y/o lesión al personal. Esta situación es mucho más común de lo que usted puede pensar. De hecho, aproximadamente el 80% de los problemas de calidad de la energía se relacionan con problemas de conex-ión a tierra.

La eficacia de la conexión a tierra se relaciona también directamente con la resistencia en el sistema. Entre menor es la resistencia de conexión a tierra, más eficaz será dicha conexión a tierra.

Puesto que la conexión a tierra es tan vital para la seguridad de un sistema de distribución de energía eléctrica, debe ser revisada y probada regularm-ente.

Página 8


Repaso 1 Conteste las siguientes preguntas sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo que ya ha leído.

1. En sus propias palabras, defina un pico. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Existe una diferencia entre un pico, un transitorio, y un impulso de tensión? SI NO

3. Liste tres de las cuatro perturbaciones muy comunes que pueden afectar un sistema. _____________________________________________________________________________________________

4. En sus propias palabras, explique la diferencia entre un transitorio de baja tensión y un transitorio de alta tensión.____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. ¿Un interruptor de circuito puede parar un pico?SI NO

Página 9


Rayos A continuación vamos a presentar la perturbación de la calidad de la energía más destructora de todas: el rayo. Primero vamos a ofrecer algunas estadísticas del National Lightning Safety Institute (NLSI) [Instituto Nacional de Seguridad en Materia de Rayos].

• En cualquier momento, más de 1,000 tormentas de rayos están en curso en el mundo entero.

• Los rayos alcanzan la tierra más de 100 veces por segundo.

• Las estructuras altas, tales como torres de radio y edificios de oficinas son alcanzados por los rayos de 5 a 10 veces por año. Los edificios más pequeños pueden esperar ser alcanzado por un rayo una vez al año.

• Los rayos causan en los Estados Unidos de América más de $2 billones de dólares por año en pérdidas económicas, principalmente por daño a com-putadoras y pérdida de datos. Esta cifra se está elevando rápidamente puesto que los dispositivos de microprocesadores siguen ganando popular-idad.

¿Son números muy impactantes verdad? Los rayos representan un problema más serio de lo que piensa la gente en general. De hecho, el NLSI establece que los rayos representan un peligro subestimado.

A continuación viene lo más impactante: Con una buena implementación de los dispositivos de protección contra picos y se podría evitar una gran parte de estas pérdidas.

En CampoDespués de una tormenta violenta, el gerente de planta en la instalación de West-erville, OH de Eaton Corporation fue recibido por varios bomberos con sus hachas en mano.

El sistema automático de alarma contra incendios envío una falsa alarma cuando un rayo inducido penetró en el edificio a través del sistema de HVAC. En este instante decenas de miles de dólares de equipo eléctrico y electrónico desapare-cieron.

El Protector contra Picos CPS de Cutler-Hammer Instalado en el Tablero Eléctrico

El gerente de planta decidió que se requería una supresión de picos como un plan de protección global a escala de la planta.

Página 10


Esta pequeña inversión pudo haber ahorrado el costo elevado de reemplazar el equipo destruido.

Si un edificio es golpeado directamente, la corriente de impulso medida en miles de Amperes puede penetrar en las líneas de suministro de energía eléctrica, datos y teléfono.

Las computadoras y dispositivos periféricos, conmutadores telefónicos, y equipo de interfaz de datos pueden ser fácilmente dañados o destruidos por este tipo de pico de energía.

La Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) publica NFPA 780, el Código de Protección contra Rayos. Se enfoca hacia los requerimientos de protección para instalaciones tales como:

• Estructuras ordinarias

• Estructuras misceláneas y ocupaciones especiales

• Entornos industriales

Los siguientes artículos son extraídos directamente de la edición de 1992 de la publicación de código NFPA 780.

NFPA 780 define un sistema de protección contra rayos como “un sistema completo de terminales aéreas, conductores, terminales de conexión a tierra, conductores de interconexión, dispositivos de supresión de picos, y otros conectores o aditamentos requeridos para completar el sistema”.

La sección 3-21 del código se refiere a la supresión de picos. Dice lo siguiente: “Dispositivos adecuados para la protección de la estructura deberá insta-larse en entradas de servicios telefónicos y eléctricos y en entradas de antenas de radio y televisión. Nota: Sistemas eléctricos y equipos de utilización dentro de la estructura pueden requerir de una supresión adicional de picos”.

La sección D-4.8 del código describe la ubicación de instalación para dispositivos de supresión de picos. Establece lo siguiente: “Dispositivo de supresión de picos deben instalarse en todo el alambrado que entra o sale de un equipo electrónico, habitualmente alambrado de comunicación de datos o suminis-tro de energía eléctrica”.

Aplicación de una Protección contra Picos

El objetivo de diseño de un dispositivo de protección contra picos es desviar la mayor cantidad posible de perturbación transitoria de la energía eléctrica de la carga. Para lograr este propósito, un dispositivo de Derivación de baja impedancia, por ejemplo un supresor de picos, redirige el transitorio hasta la tierra.

Evidentemente, el dispositivo de protección contra picos debe ubicarse corriente arriba de la carga que debe proteger, pero ¿qué configuración de distribución debe emplearse?

Utilización de una Tira contra Transitorios

Seguro que usted ha visto estos dispositivos económicos: un grupo de cinco o seis receptáculos conectados a una extensión, habitualmente con un inter-ruptor de circuito integrado o fusible. Usted puede comprarlos por menos de 20 dólares en una tienda de hardware. Hasta puede tener uno o dos en su casa.

Tal vez lo esté alarmando, pero es todo lo que existe entre sus equipos electróni-cos costosos (estéreo, televisor, computadora, etc.) y un rayo, su inversión no es tan segura como usted cree. Es una aplicación errónea común que podría

Página 11


costarle al dueño de una casa o de un pequeño negocio una fortuna en costos de reparación y/o reemplazo.

Una tira contra transitorios típica ofrece una especificación de corriente de transitorio de solamente 2,000 a 6,000 amperes. IEEE define el transitorio de rayo máximo en 20,000 volts y 10,000 amperes. Cuando un rayo supera la tira contra transitorios, usted puede imaginar a donde va el resto del transitorio.

Otra consideración: los transitorios no entran en las instalaciones, solamente en las líneas de energía eléctrica CA. Los cables coaxiales y las líneas de telé-fono están también en riesgo. Una máquina fax o computadora debe de tener protección para línea de suministro de energía eléctrica CA y línea de teléfono. Un televisor debe tener protección para línea de suministro de energía eléctrica CA y cable coaxial.

Ahora, no tire sus tiras contra transitorios. Ofrecen una protección vital para sus equipos electrónicos. Pero, las tiras contra transitorios solas no ofrecen una protección suficiente. Veamos a continuación una estrategia de protección más completa.

Página 12


En CampoLas líneas de suministro de energía eléctrica CA no son las únicas que pueden servir como conductores de transitorios. De hecho, los transitorios pueden desplazarse en cualquier conductor metálico.

Un transitorio podría ingresar fácilmente a una instalación a través de las líneas de comunicación (teléfono y fax), líneas de datos (en el caso de redes de com-putadoras), o bien cable coaxial (en el caso de servicio de televisión por cable).

Protección Completa contra Transitoriosen el caso de una Casa Habitación

Por esta razón, dispositivos de protección contra transitorios (SPDs) deben insta-larse en la acometida en todos los conductores metálicos.

Una solución cómoda es un dispositivo de protección contra transitorios de com-binación, tal como se muestra aquí. Ofrece protección de acometida para líneas de suministro de CA, líneas telefónicas y líneas coaxiales, en un solo paquete.

Enfoque en Dos Etapas IEEE (Libro Esmeralda 1992) recomienda que los dispositivos de protección contra picos sean coordinados en enfoque escalonado o en cascada. IEEE y NFPA 780 dicen que el punto inicial es la acometida. El primer dispositivo de protección contra picos debe colocarse aquí para suprimir un gran porcentaje del evento inicial. Esto es decir, el protector contra picos de primer nivel se coloca en un centro de carga (acometida) para reducir un pico de tensión a un nivel acept-able para dispositivos corriente abajo incluyendo dispositivos de protección con-tra picos más pequeños (tiras de protección contra transitorios de punto de uso).

Para manejar cualquier tensión residual, se debe colocar un segundo disposi-tivo de protección contra picos justo antes de cargas críticas, por ejemplo el tablero de energía en un cuarto de cómputo de una planta. Este enfoque en dos etapas reduce un pico de rayo de 20 kV a picos muy por debajo de 330 volts, que es el límite recomendado impuesto por el IEEE.

Página 13


Figura 5. El Enfoque en Dos Etapas según IEEE es Extremadamente Efectivo

En el caso de una aplicación residencial, la protección de segunda etapa puede tomar la forma de una tira de protección contra transitorios, es decir, a condición que ofrezca protección para todas las cargas expuestas: línea de suministro de energía eléctrica CA, líneas telefónicas y/o cable coaxial. La primera etapa sería un dispositivo directamente instalado en el tablero eléctrico para desviar con seg-uridad la mayor parte del transitorio de las cargas críticas (electrodomésticos y electrónicos).

Figura 6. Primera Etapa: Protector de Centro de Carga y Segunda Etapa: Tiras contra Transitorios

Figura 7. Protección en Dos Etapas en una Aplicación Residencial

Veamos también una aplicación industrial. La primera etapa de protección es ofrecida en la acometida, con un dispositivo de protección contra transitorios integrada en el Switchboard o en el Tablero principal. La protección de segunda etapa puede tomar la forma de un protector de cargas críticas (por ejemplo un dispositivo de filtración), o bien un dispositivo de protección contra tran-sitorios en el tablero de energía que alimenta las cargas críticas.

Página 14


Figura 8. Protección en Dos Etapas en una Aplicación Industrial

Supresión de Picos Integrada

Históricamente, los dispositivos de supresión de sobretensión fueron adquiridos como dispositivos independientes. Eran simplemente montados al lado de un panelboard o swtichboard y conectados por cable e interruptor de cir-cuito disponible. Este tipo de diseño sigue estando en uso hoy en día para modifi-caciones retroactivas.

Figura 9. Supresión de Pico Independiente (a la izquierda) vs. Supresión de Pico Integrada

En los últimos años, los fabricantes de switchgear han comenzado a integrar los dispositivos de supresión en los equipos de distribución de energía eléctrica. Hoy en día, la supresión de pico está disponible en muchos tipos de switchboard, tableros, electroductos y centros de control de motor.

Este diseño integrado ha resuelto muchos problemas relacionados con el enfoque independiente. El beneficio más importante es un mejor desem-peño de supresión. El dispositivo de supresión está conectado directamente a las barras bus, eliminando una gran parte de la Impedancia asociada con la colo-cación de un cable hacia un dispositivo de supresión externo. Una menor imped-ancia se traduce directamente en una mejor Tensión transmitida.

Página 15


Figura 10. La Supresión de Picos Independiente Es Menos Eficaz que la Supresión de Pico Integrada

Los beneficios adicionales de la supresión de picos integrada en comparación con una modificación retroactiva incluyen:

Costos de instalación reducidos No hay necesidad de contratar a un especialista o electricista en mantenimiento para montar los dispositivos de protección contra transitorios.

Uso reducido de espacio de pared La integración del supresor libera hasta tres pies de espacio de pared por unidad. El espacio es un parámetro valioso en cualquier sala de equipos eléctricos. El hecho de ahorrar espacio de pared es un beneficio importante para los propietar-ios de instalaciones e ingenieros.

Tranquilidad Puesto que el supresor viene instalado de fábrica y probado, el encargado de las especificaciones no tiene que revisar la instalación. La solución de modificación retroactiva, si es instalada incorrectamente, podría obligar al encargado de las especificaciones a forzar al contratista a reinstalar el dispositivo; un proceso cos-toso y que requiere tiempo. Se reducen las reclamaciones futuras con la solución integrada, que son dolores de cabeza para los ingenieros y los usuarios finales.

Ausencia de conflicto de garantía Si surge un problema, el cliente requiere de tratar con un solo fabricante.

Página 16


Repaso 2 Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo que ya ha leído.

1. Los rayos cuestan más de $2 _________ USD en los Estados Unidos por Año en cuanto a pérdidas económicas.A. millones B. cientos millones C. billones

2. La tira de protección contra transitorios típica proporciona un valor nominal de corriente de transitorio de aproximadamente ________ amperes, mientras que IEEE define el transitorio máximo de rayo como ________ amperes.A. 500 a 1,000; 1,000B. 2,000 a 6,000; 10,000C. 5,000 a 20,000; 25,000D. 2,000 a 10,000; 6,000

3. Los transitorios penetran en las instalaciones solamente a través de las líneas de suministro de energía CA. VERDADERO FALSO

4. En sus propias palabras, explique por qué un enfoque en dos etapas (o cas-cada) se utiliza para proteger las cargas electrónicas dentro de una insta-lación. _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. En sus propias palabras, explique por qué una supresión de picos integrada ofrece un mejor desempeño de supresión que el enfoque independiente. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Página 17


Tecnología de Protección contra Transitorios

Existen varios tipos de componentes de protección contra transitorios uti-lizados por fabricantes de dispositivo de protección contra transitorios. Son:

• MOVs

• SADs

• Tubos de gas (no abarcados en este módulo 101)

• Células de selenio

• Dispositivos híbridos

Varistor de Óxido de Metal

La tecnología más confiable y comprobada disponible para reducir un transitorio es el Varistor de Óxido de Metal (MOV). Es también la tecnología más amplia-mente utilizada en la industria. En aplicaciones de energía eléctrica CA, más del 99% de todos los dispositivos de protección contra transitorios incorporan la tecnología MOV debido a su alta capacidad de energía y desempeño confi-able como Estabilizador.

En condiciones de operación normales, el MOV es un componente de alta imped-ancia que tiene una pequeña corriente de fuga que lo atraviesa. Pero, cuando está sometido a un pico de tensión de digamos 125% de la tensión nominal del sistema, el MOV reacciona en nanosegundos, volviéndose una ruta de baja impedancia para desviar la sobretensión lejos de la carga.

Figura 11. El MOV Protege el Equipo contra Sobretensiones Dañinas

Un elemento de filtro se utiliza frecuentemente en combinación con un MOV. Este arreglo híbrido ofrece numerosas ventajas, incluyendo una respuesta más rápida, una mejor estabilización y una vida más larga.

Diodo de Avalancha de Silicio

El Diodo de Avalancha de Silicio (SAD), es utilizado frecuentemente en protec-tores contra sobretensión en línea de datos y comunicación. No se recomienda para su uso en aplicaciones CA de alta exposición debido a sus capacidades limitadas de manejo de energía.

La capacidad del diodo de avalancha de silicio es relativamente limitada. Para manejar un transitorio de Categoría B típico (en alimentador y ramales cor-tos), un circuito requeriría de muchos diodos de avalancha de silicio. Esto se debe a que el diodo de avalancha de silicio tiene una baja capacidad de disi-pación de calor. De hecho, el diodo de avalancha de silicio de mayor capacidad

Página 18


disponible en el comercio tiene una especificación nominal de 1500 Watts, lo que equivale a un dispositivo de 1.5 Julio. Por esta razón, el diodo de avalancha de silicio no se recomienda para su uso en tableros o switchboards.

Figura 12. Diodo de Avalancha de Silicio Típico (arriba) y MOV (abajo)

Célula de Selenio Aún cuando la Célula de Selenio era anteriormente un componente popular de dispositivo de protección contra transitorios, se considera ahora como anticuada. Fue reemplazada en los años 1960 por el varistor de óxido de metal. Las células de selenio son rectificadores metálicos (diodos) con una tensión reversa máxima de solamente 25 VCD; muchas células se requieren en el caso de tensiones más altas.

Existe un fabricante de dispositivos de protección contra transitorios que sigue produciendo una forma de célula de selenio que se conoce como “protección mejorada contra sobretensión de selenio”. El dispositivo combina una célula de selenio en paralelo con un varistor de óxido de metal. Aún cuando esto parece ofrecer los mejor de dos mundos, la eficacia de un dispositivo de este tipo es cuestionable.

Cuando las células de selenio son utilizadas en paralelo con varistores de óxido de metal, no se logra ninguna ventaja en cuanto a desempeño, costo ni flexibilidad de aplicación. De hecho, su costo y su volumen físico son des-ventajas importantes. Muchas placas de selenio deben ser apiladas para crear una interrupción suficiente de la tensión para su uso en circuitos CA.

Comparación entre las Tecnologías

Página 19


A continuación vamos a comparar las tecnologías de dispositivos de protección contra transitorios.

Varistor de Óxido de Metal vs. Diodo de Avalancha de Silicio en Sistemas de Energía Eléctrica CA: Mito y Realidad

Un pequeño número de fabricantes de dispositivos de protección contra transito-rios siguen promoviendo el uso de los diodos de avalancha de silicio (SADs) para aplicaciones CA. (Cutler-Hammer no es uno de estos fabricantes).

Según lo establecido previamente, más del 95% de los dispositivos de protec-ción contra transitorios incorporan tecnología de varistor de óxido de metal. El diodo de avalancha de silicio sigue utilizándose a pesar de este hecho, debido en gran medida a algunas creencias incorrectas en materia de tecnología. A continuación vamos a contraponer estos mitos con un examen de los hechos.

Mito #1:

“Los diodos de avalancha de silicio responden más rápidamente que los varis-tores de óxido de metal. Este tiempo de respuesta suprior resulta en un mejor desempeño del dispositivo de protección contra transitorios”.

Hecho:

Los comités de NEMA LS-1 e IEEE no mencionan el tiempo de respuesta como especificación de un dispositivo de protección contra transitorios. Todos los dispositivos de protección contra transitorios, independientemente de la tecnología, responden en bastante tiempo para desviar las sobretensiones.

Tecnología de dispositivos de protección

contra transitorios Ventajas Desventajas

Varistor de Óxido de Metal

• Alta capacidad de energía

• Excelente confiabil-idad

• Desempeño consis-tente

• Mejor conectividad mecánica para conec-tar en paralelo múlti-ples componentes

• Se degrada gradual-mente, requiriendo de numerosos compo-nentes montados en paralelo

Diodo de Avalancha de Silicio

• Ideal para aplica-ciones en línea de datos

• Desempeño consis-tente

• Baja capacidad de energía

• Alto costo

• Sensible a sobreten-siones

• Se requieren de varias unidades

Célula de Selenio • Alta capacidad de energía

• Alta corriente de fuga

• Alta tensión trans-mitida

• Voluminoso

• Costo elevado

Página 20


Hecho:

Aún si el tiempo de respuesta fuese un factor, los dispositivos basados en dio-dos de avalancha de silicio y los dispositivos basados en varistores de óxido de metal tienen tiempos de respuesta equivalentes. El alambrado interno y las conexiones afectan también el tiempo de respuesta de los dispositi-vos. El alambrado interno y los conductores conectores en un dispositivo basado en un diodo de avalancha de silicio agregan inductancia. La inductancia es el factor principal en el tiempo de respuesta global. Hace más lenta la velocidad de reacción del dispositivo basado en diodo de avalancha de sili-cio típico a aproximadamente la velocidad de reacción del dispositivo bas-ado en varistor de óxido de metal.

Mito #2:

“Los diodos de avalancha de silicio ofrecen una estabilización más estrecha que los varistores de óxido de metal”.

Hecho:

Cuando se exponen a pruebas definidas según IEEE y a la prueba UL 1449 2da edición, los dos dispositivos tienen los mismos valores nominales de supresión de tensión. UL no considera que los dispositivos de diodo de avalan-cha de silicio proporcionen una mejor estabilización que los dispositivos de varis-tor de óxido de metal.

Mito #3:

“Los varistores de óxido de metal se degradas con el paso del tiempo mientras que los diodos de avalancha de silicio no. Por consiguiente, el diodo de avalan-cha de silicio tiene una vida útil más larga y es más seguro”.

Hecho:

La vida útil de un diodo de avalancha de silicio es mucho menor que la vida útil de un varistor de óxido de metal. Un diodo de avalancha de silicio individ-ual puede ser dañado por un transitorio de menos de 1,000 amperes. IEEE C62.41 requiere que un dispositivo de protección contra transitorios resista a transitorios de 10,000 amperes. Los diseños basados en varistores de óxido de metal permiten una protección confiable contra transitorios que rebasan por mucho la vida de la instalación.

Los diseños de diodo de avalancha de silicio tienen capacidades de energía más bajas, especialmente en acometidas. Véase la gráfica abajo. La capacidad limitada de manejo de energía del diodo de avalancha de silicio es evi-dente. Los dispositivos basados en diodos de avalancha de silicio presentan tam-bién tendencia a fallas catastróficas debido a transitorios de alta tensión (perturbaciones de sobretensión).

Página 21


Figura 13. Los Diodos de Avalancha de Silicio Tienen una Menor Capacidad de Manejo de Energía, una Vida Útil más Corta que los Varistores de Óxido de Metal

Un dispositivo de protección contra transitorios de calidad con varistores de óxido de metal en paralelo puede lograr unas especificaciones de sobrecorriente de más de 250,000 amperes, por fase. Con este valor nominal, el dispositivo de protección contra transitorios operará de manera eficaz durante toda la vida del edificio, aún en un área de muchos rayos, como por ejemplo Florida. Esto hace que el varistor de óxido de metal sea mucho más con-fiable para su uso en un sistema de energía eléctrica CA.

Página 22


Estándares de Dispositivo de Protección contra Transitorios

Los Estándares establecidos por UL, IEEE, ANSI, NEC y otros proveen uniformi-dad en el ámbito de los dispositivos de protección contra transitorios. Los están-dares ofrecen parámetros de prueba que permiten comparar y clasificar los dispositivos de protección contra transitorios.

Para tomar decisiones informadas en cuanto a protección contra transito-rios, usted debe familiarizarse con todos los estándares de protección con-tra sobretensión. Aún cuando hemos mencionado varios estándares en este módulo, es importante que usted los examine con detalles.

Resumen de los Estándares

Estándar Fecha de Revisión Propósito

UL 1449 2da edición: 1996

Pruebas de Seguridad

Especifica materiales y métodos de construcción seguros para ofrecer seguridad de producto para dispositivos de protección contra transitorios utilizados en líneas de alimentación CA.

Prueba de Sobrecorriente

Revisa los valores nominales de tensión transmitida utilizando ondas de prueba de pequeña “sobrecorriente”. Observación: Este estándar no requiere de una prueba de sobrecorriente máxima ni de probar el desempeño de los dispositivos de protección contra transitorios.

UL 497, 497A, 497B

Varias Estándar de seguridad para protectores primarios en líneas telefónicas, bucles de señales aislados y protección contra transitorios que se utilizan en líneas de comunicación/datos. No se efectúan pruebas de desempeño en línea de comunicación/datos.

ANSI/IEEE C62.41

1991 El documento ANSI “Práctica Recomendada en Sobretensiones en Circuitos de Potencia CA de Baja Tensión” define las pruebas de sobretensión recomendada.

IEEE 1100 1992 Este Libro Esmeralda, intitulado “Práctica Recomendada para Alimentación y Conexión a Tierra de Equipo Electrónico Sensible” es el libro de referencia estándar para soluciones de calidad de energía a escala de una planta.

NEMA LS-1 1992 Guía del Comité Técnico de NEMA para especificación de dispositivos de protección contra transitorios, incluyendo parámetros físicos y operativos.

NFPA 780 1992 Recomendaciones de Código de Protección contra Rayos para el uso de dispositivo de protección contra transitorios en la acometida de una instalación.

Página 23


A continuación vamos a considerar algunos de estos estándares con may-ores detalles. El estándar UL 1449, primera Edición, es para todos los equi-pos colocados en el lado de carga del servicio eléctrico CA, y en toda la instalación para sistemas de distribución de baja tensión. Incluye tanto pro-ductos físicamente alambrados como enchufados.

Para ser clasificado según UL, un supresor debe pasar una docena de prue-bas de desempeño, incluyendo:

• Supresión de transitorios

• Ciclo de trabajo

• Temperatura

• Corriente de fuga

• Sobretensión

• Continuidad de conexión a tierra

Debe también satisfacer estándares de seguridad en áreas tales como:

• Construcción de gabinete

• Protección contra corrosión

• Aislamiento

• Alambrado interno

• Conexión a tierra

UL lleva a cabo también una prueba de tensión transmitida, y asigna al supresor una Clasificación de Tensión Suprimida. Es importante observar que estas clasificaciones son clasificaciones de componentes solamente, no la clas-ificación de tensión transmitida real del sistema de distribución eléctrica. Esto significa que la longitud de conductor de la instalación y la protección contra sobrecorriente no se toman en cuenta.

UL 1449 2da Edición La esencia de los procedimientos de prueba permaneció sin cambio en la 2da Edición. Sin embargo, algunos procedimientos fueron actualizados.

Se realizó un cambio sustancial en la metodología de prueba de sobreten-sión. Una sobrecorriente para dispositivos físicamente alambrados fue cambiada de 3,000 amperes a 500 amperes, correspondiendo al estándar apli-cado a dispositivos enchufables.

Pruebas de falla anormales adicionales fueron agregadas. El dispositivo de protección contra transitorios está expuesto a una tensión alta para asegurar que la unidad no falla de una manera insegura.

UL 497, 497A y 497B UL 497 es un estándar de seguridad para proteger a la gente, no los dispos-itivos. Mientras que los protectores de UL 497 deben proteger a la gente, no están diseñados con seguridad tomando en cuenta un equipo electrónico sensi-ble.

Como tal, UL 497 no es realmente nuestra preocupación esencial. Sin embargo, es bueno que usted esté familiarizado con el estándar.

UL 497 es el estándar de seguridad para protectores primarios de telecomu-nicaciones de par individual o pares múltiples. Cada línea telefónica propor-cionada por un operador de teléfono debe tener un protector T1 aprobado según UL que cumple con NEC Artículo 800. Este protector primario es un requer-

Página 24


imiento de seguridad diseñado para proteger al personal contra un potencial o corriente excesiva en líneas telefónicas, causado por rayo, contactos de conduc-tor de energía, y elevaciones en el potencial de tierra.

Supresores de transitorios que cumplen con este estándar son listados ya sea como 497A o UL 497B. Veamos rápidamente cada uno de ellos.

UL 497A se aplica a protectores secundarios para circuitos de teléfono y comunicaciones. Tales protectores se contemplan para su uso en el lado prote-gido de las redes de telecomunicaciones con menos de 150 volts RMS de oper-ación a tierra, considerando que los protectores primarios están en su lugar. Se utilizan protectores secundarios en la acometida de la instalación, o bien en otras áreas que requieren de protección para equipo de comunicaciones.

UL 497B se aplica a comunicación de datos y protectores de circuito de alarma contra incendios (circuitos que inician la alarma o que indican alarma). Esto incluye la mayoría de los protectores de línea de datos en la industria eléc-trica.

ANSI/IEEE C62.41 Este documento describe un entorno de sobretensión típico, con base en los fac-tores siguientes:

• Ubicación dentro de una instalación

• Impedancia de línea de suministro de energía eléctrica al transitorio

• Longitud total de alambre

• Proximidad

• Tipo de cargas eléctricas

• Calidad de alambrado

• Ubicación geográfica

No especifica una prueba de desempeño sino que incluye formas de onda estandarizadas para su uso para probar un equipo de protección.

Figura 14. Onda de Combinación (corriente), Mostrada a la Izquierda, y Onda Resonante

La forma de onda de combinación es un impulso unipolar, similar a un rayo. El tiempo de elevación de esta onda de corriente es de 8 microsegundos.

La forma de onda resonante es una forma de onda oscilante que ocurre muy fre-cuentemente en una instalación.

La amplitud y energía disponible de las formas de onda estándares dependen de la ubicación en una instalación. Por ejemplo, el estándar clasifica las ubica-ciones en tres categorías:

Página 25


Figura 15. Categorías A, B y C de Ubicación

Esta tabla describe las formas de onda de transitorios de prueba de categoría A, B y C.

IEEE 1100 (1992) El estándar IEEE 1100 se presenta en un libro esmeralda titulado “Práctica Recomendada para Suministrar Energía Eléctrica y Conectar a Tierra Equi-pos Electrónicos Sensibles”. Este estándar es el libro de referencia recomendado para soluciones de calidad de energía a escala de una planta.

El alcance definido de la publicación es “recomendar prácticas de diseño, insta-lación y mantenimiento para suministrar energía eléctrica y conectar a tierra equi-pos electrónicos sensibles utilizados en aplicaciones comerciales e industriales”.

Los capítulos siguientes se aplican a los dispositivos de protección contra transi-torios:

• Capítulo 3, especialmente secciones 3.4.2 y 3.4.3.

• Capítulo 4, especialmente secciones 4.4 y 4.5

• Capítulo 8, especialmente sección 8.2

• Capítulo 9, especialmente sección 9.11

NEMA LS-1 Guía de especificaciones para aplicaciones de energía eléctrica CA de baja tensión (menos de 1000 V). NEMA utilizó conceptos y recomendaciones a partir de los lineamientos establecidos por IEEE y UL en el desarrollo de esta guía.

NEMA LS-1 identifica parámetros claves y procedimientos de evaluación para especificaciones.

Algunos de los parámetros claves son:

• Tensión de Operación Continua Máxima (MCOV)

Categoría Tensión (V) Corriente (A)Onda Vibratoria 0.5 µS x 100kHz

Onda de Combinación (Impulso)8 x 20 µ S (A)

A3 6,000 200 N/AB3 6,000 500 3,000C3 20,000 N/A 10,000

Página 26


• Modos de protección

• Corriente de sobretensión máxima para cada modo de protección

• Estabilización de tensión para:

• Onda vibratoria B3

• Impulso B3/C1

• Impulso C3

• Rechazo de ruido EMI (pérdida de inserción)

• Aprobaciones de seguridad según UL (incluyendo UL 1449)

• Entorno de aplicación

Las especificaciones de Julio y tiempo de respuesta no se mencionan como criterios de desempeño para los dispositivos de protección contra transito-rios en NEMA LS-1 ni otras organizaciones.

NFPA 780 Como se comentó arriba, NFPA 780 es el código para sistemas de protección contra rayos. Se refiere a requerimientos de protección para instalaciones tales como:

• Estructuras ordinarias

• Estructuras misceláneas y especiales

• Entornos industriales

La sección 3-21 del código se refiere a la supresión de transitorios. Dice lo sigu-iente: “Dispositivos adecuados para producción de estructura deberán colo-carse en acometidas eléctricas y telefónicas y en entradas de antena de radio y televisión. Nota: Los sistemas eléctricos y los equipos dentro de la estructura pueden requerir de una supresión adicional de transitorios”.

Página 27


Repaso 3 Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo que acaba de leer.

1. El componente de protección contra transitorios con la más alta capacidad de manejo de energía es _______.El componentes de protección contra transitorios con la menor capacidad de manejo de energía es ________.

2. Relacione el estándar con su descripción.

A. UL 1449 1. Es una guía de especificación para aplicaciones de energía eléctrica CA de baja tensión (debajo de 1000 V).

B. UL 497A 2. Este documento describe un entorno de sobreten-sión típico, e incluye formas de onda estandariza-das para su utilización para probar equipo de protección.

C. ANSI/IEEE C62.41 3. El estándar de seguridad para todos los equipos instalados en el lado de carga del servicio eléctrico CA y en la instalación para sistemas de distribución de baja tensión.

D. IEEE 1100 4. Es el código para sistemas de protección de alum-brado.

E. NEMA LS-1 5. Este estándar es el libro de referencia recomendado para soluciones de calidad de energía a escala de la planta. Se presenta en un libro esmeralda titulado “Práctica Recomendada para Suministra Energía y Conectar a Tierra Equi-pos Electrónicos Sensibles”.

F. NFPA 780 6. Estándar de seguridad para protectores utilizados para evitar que transitorios dañen los circuitos telefónicos.

Página 28


Ayuda al Cliente Los dispositivos de protección contra transitorios son estándares en la mayoría de las especificaciones para instalaciones industriales y comerciales.

Criterios de Especificación para Protección contra Transitorios de Distribución

Una especificación debe enfocarse a los requerimientos esenciales de desempeño, instalación y seguridad. Pero ¿qué criterios son importantes cuando se especifica un dispositivo de protección contra transitorios?

Los siguientes se consideran como criterios esenciales de desempeño, seguridad e instalación para una especificación:

Transitorio por Fase

Cutler-Hammer recomienda 250 kA por fase por acometida, 120 kA por fase para tableros y otras ubicaciones.

Tensión transmitida

El desempeño debe ser especificado con base en las formas de onda de prueba según tres estándares IEEE (IEEE C62.41 Categoría C3 y B3 para ondas de combinación y B3 onda vibratoria). Especifica los valores nominales requeridos para tensiones nominales aplicables en modos LG y L-N.

Filtro Efectivo

Con base en la prueba de calidad de inserción MIL-STD-220, la atenuación del ruido a 100 kHz debe rebasar 50 dB (modos L-N). Especifica que resultado de prueba se proporcionan.

Instalación Integrada

El dispositivo de protección contra transitorios debe ser instalado en fábrica como parte del equipo de distribución. Asegura que la instalación minimiza la longitud del conductor.

Fusibles Internos

Para seguridad y protección contra sobrecorriente, un sistema de fusibles inter-nos de 200 kAIC debe proporcionarse.

Monitoreo y Diagnóstico Confiable

Esto debe incluir una indicación de estado a prueba de errores para cada fase. Una opción popular es la inclusión de contactos de forma C para monitoreo remoto.

Prueba Independiente

Para asegurar construcción y diseños confiables, especifica que todos los fabri-cantes sometan resultados proporcionados por un laboratorio de prueba indepen-diente, que verifica que el dispositivo puede alcanzar los valores nominales de transitorios publicados (con base por modo y por fase).

Para ayudarle a entender la importancia de estos criterios, vamos a contestar a algunas de las preguntas más frecuentemente planteadas en materia de criterios de especificación.

¿Qué es la Capacidad de Corriente Transitoria?

La Capacidad de Corriente Transitoria es definido por NEMA LS-1 como el impulso máximo de corriente de sobretensión 8/20 us que el dispositivo de protección contra transitorios puede sobrevivir en base en un solo impulso, sin afectar el desempeño o provocar una degradación de más de una desvi-ación del 10 por ciento de la tensión de estabilización.

Página 29


Los estándares industriales publican corriente de sobretensión por fase, sumando los modos L-N y L-G en un sistema de Y o sumando los modos L-L y L-G en un sistema Delta.

La capacidad de corriente de sobretensión es utilizada para indicar la capacidad protectora de un diseño de dispositivo de protección contra tran-sitorios particular y debe utilizarse en una base por fase y por modo cuando se especifica un dispositivo de protección contra transitorios para una aplicación dada.

¿Qué Capacidad de Corriente de Sobretensión Se Requiere?

La capacidad de corriente de sobretensión depende de la aplicación y la cantidad de protección requerida. La ubicación geográfica de la instalación y la exposición a transitorios debe considerarse. Asimismo, se debe considerar que tan crítico es el equipo para la instalación en términos de tiempo perdido y costos de reparación.

Con base en la información disponible, la amplitud máxima de un transitorio rela-cionado con rayo en la acometida de una instalación es de 20 kV, con onda de combinación de 10 kA (véase IEEE C62.41). Arriba de esta cantidad, la tensión rebasará los valores nominales de Nivel de Aislamiento Básico (BIL), provocando la formación de arcos en los conductores y/o el sistema de distribución.

Cutler Hammer recomienda 250 kA por fase para aplicaciones en acometi-das (grandes instalaciones en ubicaciones de alta exposición), y 120 kA por fase en tablero de ramales.

Si el transitorio máximo es de 10 kA, ¿por qué tantos proveedores sugieren la instalación de un dispositivo que puede manejar hasta 250 kA por fase? La respuesta es vida útil.

Un supresor en acometida experimentará miles de transitorios de varias magni-tudes. Con base en los datos estadísticos, un supresor apropiadamente con-struido con una corriente nominal de transitorio de 250 kA por fase tendrá una vida útil de más de 25 años en una ubicación de alta exposición.

Algunos fabricantes recomiendan la instalación de dispositivos de protección con-tra transitorios con valores nominales de transitorios de hasta 600 ó 700 kA por fase. Este nivel de capacidad no ofrece ningún beneficio a los clientes. Un dis-positivo de 400 kA por fase, tendría una vida útil de aproximadamente 500 años en el caso de una ubicación de exposición media – mucho más allá de parámetros de diseño razonables.

Los dispositivos de protección contra sobretensión actuales no fallan debido a transitorios por rayos. Con base en dos décadas de experiencia, la tasa de falla de un dispositivo de protección contra transitorios es extremada-mente baja, inferior al 0.1%.

Si falla un supresor, esto se debe probablemente a una sobretensión excesiva (transitorio de sobretensión) provocado por una falla en la línea de suministro de energía eléctrica proporcionada por la empresa proveedora (es decir, la línea de 120 VCA nominal rebasa 180 VCA durante muchos ciclos). Un transitorio de alta tensión severo dañará los protectores contra sobretensión y otras cargas elec-trónicas tales como computadoras. Si ocurre este evento poco frecuente, diga a su empresa de suministro de energía eléctrica que investigue el asunto.

Página 30


¿Por qué no se deben utilizar especificaciones como Julio para Comparar los Dispositivos de Protección contra Transitorios?

Las especificaciones en Julio no son una especificación aprobada para disposi-tivo de protección contra transitorios. IEEE, IEC, y NEMA no recomiendan la uti-lización de especificaciones en Julio para comparar los supresores de sobretensión puesto que pueden proporcionar información falsa y conflic-tiva.

Por ejemplo, en un sistema de 102 volts, se podría utilizar un varistor de óxido de metal de 150 volts o 175 volts. Aún cuando el varistor de óxido de metal de 175 volts tiene una especificación en Julio más alta, el de 150 volts tiene una tensión transmitida mucho más baja.

Las especificaciones en Julio dependen de la tensión transmitida, corriente de transitorio y duración del transitorio. Cada fabricante puede utilizar una onda de transitorio estándar diferente cuando publica las especificaciones en Julio. Por esta razón, la industria de la calidad de la energía no recomienda el uso de las especificaciones en Julio en las especificaciones de desempeño.

¿Por qué es importante llevar a cabo una Prueba Independiente?

Los fabricantes no tienen que probar sus unidades independientemente en cuando a su especificación de capacidad de corriente de transitorio publi-cadas. La mayoría de las especificaciones publicadas son teóricas. Se calculan sumando las capacidades individuales de los varistores de óxido de metal.

Por ejemplo, un fabricante puede recabar una especificación de 100 kA, pero debido a la integridad de construcción insatisfactoria, la unidad puede ser incapaz de compartir la corriente igualmente entre los varistores de óxido de metal. Sin una división igual de la corriente, la vida útil no puede cumplirse.

Los especialistas en especificación deben solicitar que los fabricantes sometan reportes de prueba independientes de laboratorios para confirmar las especifica-ciones de transitorios publicadas.

¿Qué es la Tensión Transmitida?

La tensión transmitida (o bien Tensión de Estabilización) es la cantidad de tensión que no es suprimida por el dispositivo de protección contra transi-torios y pasa hacia la carga.

La tensión transmitida es una medición del desempeño de la capacidad de un supresor de transitorios para atenuar un transitorio definido. IEEE C62.41 tiene formas de onda de prueba específicas para acometidas y ramales. Un fabricante debe poder proporcionar pruebas de tensión transmitida en las for-mas de onda claves.

Una tensión transmitida inferior ofrece una mejor protección contra transitorios para cargas corriente abajo.

Figura 16. Ejemplo de Dispositivos de Protección contra Transitorios Integrados en un Tablero

¿Qué efecto tiene una Instalación sobre el Desempeño de un Dispositivo de Protección contra Transitorios?

La instalación es el factor más importante para determinar la eficacia de un dispositivo de protección contra transitorios específico.

La longitud de conector de instalación (alambrado) reduce el desempeño de una supresor de transitorios. En términos generales, cada pulgada de conductor agrega entre 15 y 25 volts a la tensión transmitida. Puesto que los transitorios ocurren a altas frecuencias (aproximadamente a 100 kHz), los conductores

Página 31


desde la barra bus hasta el elemento de supresión crean impedancia en la ruta del transitorio.

Las especificaciones de tensión transmitida publicadas abarcan solamente el dispositivo o módulo. Esta especificaciones no incluyen la longitud del con-ductor de instalación que depende del electricista que colocó la unidad.

Por consiguiente, la tensión transmitida real para el sistema se mide en la barra bus y se basa en dos factores:

• la especificación del dispositivo (calidad del supresor)

• la calidad del trabajo de instalación

Por ejemplo, vamos a considerar un dispositivo de protección contra transitorios con un valor nominal de 500 volts. Esto es el valor nominal real solamente si el dispositivo de protección contra transitorios está integrado en el tablero que está protegiendo. Si está conectado a un tablero con 14 pulgadas de alambre #14, se deberá agregar aproximadamente 200 volts a la tensión transmitida. La verdad-era tensión transmitida en la barra bus será de 800 volts.

Figura 17. La Instalación Desempeña una Función Importante en la Determinación de la Tensión Transmitida

(con base en Onda de Combinación IEEE 6KV 3KA)

¿Cuál es el Beneficio de la Filtración?

La filtración elimina el ruido en la línea eléctrica y los transitorios reso-nantes mediante la adición de capacitores al dispositivo de supresión

Figura 18. El Beneficio de la Filtración

La filtración se conoce frecuentemente como “rastreo de onda sinusoidal” o “ras-treo activo”. Estos son términos comerciales que no son relevantes para el desempeño del filtro. Asimismo, no todos los dispositivos de protección contra transitorios proporcionan filtración. Muchos dispositivos de protección contra tran-sitorios dicen que poseen rastreo de ondas sinusoidales, contorno de ondas sinu-

Página 32


soidales, o bien atenuación de ruido EMI/RFI pero pueden no emplear un filtro de calidad.

Con toda la confusión con el tema, cerciórese que el fabricante puede proporcio-nar una prueba que el dispositivo de protección contra transitorios cumple estas especificaciones de filtración esenciales:

MIL-STD-220A: Prueba de Pérdida de Inserción La atenuación a 100 KHz medida en dB. Una especificación dB arriba de 40 dB (a 100 kHz) refleja un mejor desempeño. Entre más alta es la clasificación dB, mejor es la filtración.

Tensión Transmitida - IEEE C62.41 Categoría B3 Onda Vibratoria En un sistema de 120 volts, L-N debe ser menor que 200 volts.

¿Se requiere de Mantenimiento para un Dispositivo de Protección contra Transitorios?

El mantenimiento no es un requisito para un dispositivo de protección con-tra transitorios de calidad. Un dispositivo de protección contra transitorios de calidad debe durar más de 25 años sin programa de mantenimiento preventivo.

El dispositivo de protección contra transitorios debe estar acompañado de un sistema de diagnóstico que ofrecerá un monitoreo continuo de:

• el sistema de fusibles y circuitos de protección (incluyendo neutro a tierra)

• fallas de circuito abierto

• sobrecalentamiento (en todos los modos) causado por empalamiento tér-mico)

¿Un Dispositivo de Protección contra Transitorios me proporciona una cobertura al 100% en Todas las Cargas Eléctricas?

No.

Los dispositivos de protección contra transitorios protegen contra transitorios, uno de los tipos más comunes de perturbaciones eléctricas. Algunos dispositivos de protección contra transitorios proporcionan también filtración para remover el ruido de alta Frecuencia (de 50 KHz a 250 KHz).

Un dispositivo de protección contra transitorios no reduce la distorsión de armónicas (de la 3a a la 50a armónica igual 180 a 3000 Hz).

Un dispositivo de protección contra transitorios no puede evitar el daño causado por el golpe directo de un rayo. Ningún dispositivo puede ofrecer esta protección. Un golpe directo por un rayo ocurre con muy poca frecuencia. En la mayoría de los casos, los rayos provocan transitorios inducidos en la línea de suministro de energía eléctrica, que pueden ser reducidos por el dispositivo de protección contra transitorios.

Un dispositivo de protección contra transitorios no puede detener ni limitar problemas causados por transitorios de alta tensión excesivos (sobreten-sión). Un transitorio de alta tensión es una perturbación poco frecuente causada por una falla severa en la energía eléctrica suministrada, o un problema con la conexión a tierra (enlace neutro-tierra insatisfactorio o inexistente). Un transitorio de alta tensión ocurre cuando la tensión CA rebasa la tensión nominal (120 volts) durante un período corto (de un milisegundo a algunos minutos). Si la tensión rebasa 25% de la tensión nominal de sistema, el dispositivo de protección contra transitorios y las demás cargas pueden ser dañados.

Un dispositivo de protección contra transitorios no ofrece energía de respaldo durante la suspensión del suministro de energía eléctrica. Se requiere de un Suministro de Energía Ininterrumpible (UPS) para proporcionar un respaldo de batería.

Página 33


¿Qué Causa la Falla de un Dispositivo de Protección contra Transitorios?

Mucha gente piensa que la causa principal de una falla de un dispositivo de pro-tección contra transitorios es el golpe directo del rayo. Esto no es cierto. La causa número uno de fallas de los dispositivos de protección contra transitorios es la exposición a transitorios de alta tensión severos y perturbaciones de sobretensión.

En condiciones de operación normales, los componentes internos de un disposi-tivo de protección contra transitorios están diseñados para llevar a cabo una con-exión a tierra del transitorio de corta duración (microsegundo o milisegundo).

Un transitorio de alta tensión (tensión de RMS incrementada que dura de medio ciclo a algunos segundos) o una condición de sobretensión (un transitorio de alta tensión que dura más de algunos segundos) causa que el dispositivo de protec-ción contra transitorios conduzca más allá de sus especificaciones. El resultado es una reducción de la vida útil o, en casos severos, una falla del dispositivo de protección contra transitorios.

Página 34


Repaso 4 Observación: Este repaso se aplica principalmente a instalaciones comerciales e industriales.

Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar.

1. ¿Para qué se especifica generalmente el valor nominal de transitorio?: A. una acometida ______ kA/faseB. un tablero de ramales ______ kA/fase

2. En sus propias palabras, explique por qué es importante obtener una prueba independiente de un dispositivo de protección contra transitorios. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Presente una lista de cinco de los siete criterios empleados para especificar los dispositivos de protección contra transitorios. _______________________________________________________________________________________________________________________________________

Página 35


Glosario Ampere Unidad de intensidad. ANSI Instituto Americano de Estándares Nacionales.Nivel de Aislamiento Básico (BIL)

La tensión que un aislamiento puede soportar. Se mide utilizando una onda de 1.2 x 50 microsegundos.

Estabilizador Un componente activado y desactivado por tensiones predeterminadas.

Tensión de Estabilización

Véase “Tensión Transmitida”.

Conductor Un material que permite un intercambio/movimiento muy libre de electrones de un átomo a otro.

Corriente El flujo de electrones en la misma dirección de átomo en átomo.

Delta Un arreglo de conexión de motor en donde cada devanado es alambrado extremo con extremo para formar un circuito totalmente cerrado.

Frecuencia El número de ciclos en un segundo de corriente alterna. Se expresa en hertz (Hz). Por ejemplo, 60 Hz significa 60 ciclos por segundo.

Ruta de Conexión a Tierra

La ruta en un sistema eléctrico que seguirá la energía eléctrica hacia tierra.

Armónicas Múltiplos de la frecuencia fundamental de la energía CA. Cuando se agregan a la frecuencia fundamental, se produce una forma de onda distorsionada.

IEEE Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos. Impedancia La oposición aparente del flujo de corriente con

aplicación de tensión. Tensión transmitida La parte de un transitorio que no es suprimida por un

dispositivo de protección contra transitorios y es transmitida a la carga.

Tensión de Operación Continua Máxima (MCOV)

La tensión de conexión cuando el varistor de óxido de metal empieza a desviar la corriente a tierra.

Varistor de Óxido de Metal (MOV)

Un componente de supresión de transitorios de estado sólido que puede manejar grandes cantidades de corriente y reaccionar dentro de nanosegundos.

NEC Código Eléctrico Nacional. NFPA Asociación Nacional de Protección contra Incendios.NLSI Instituto Nacional de Seguridad en Materia de Rayos. Distorsión por Ruido Una perturbación indeseada sobrepuesta en una señal

útil. Sobretensión Un transitorio de alta tensión o baja tensión que dura

más de un minuto.

Página 36


Tablero Un dispositivo de distribución de energía eléctrica montado en pared para su uso en aplicaciones comerciales e industriales. Ofrece control de circuito y protección contra sobrecorriente para circuitos de alambrado, calefacción o suministro de energía. El NEC lo define como un tablero individual o grupo de tableros diseñados para ensamblarse en forma de un solo tablero; incluye buses, dispositivos automáticos para sobrecorriente, y está equipado con o sin interruptores para el control de circuitos de alumbrado, calefacción o suministro de energía; diseñado para colocarse en un gabinete colocado en o contra una pared o división y accesible solo desde la parte frontal.

Calidad de la Energía Un término general que se refiere a muchos tipos diferentes de perturbaciones y distorsiones de una señal de energía. IEEE lo define como “El concepto de suministrar energía y conectar a tierra los equipos sensibles de una manera adecuada para la operación de dichos equipos”.

Interferencia de Radio Frecuencia (RFI)

Un tipo de ruido de sistema causado por los componentes de sistemas de comunicaciones.

Resistencia La restricción al flujo de electrones. RMS Corriente Efectiva. Es la raíz cuadrada del promedio de

todas las corrientes instantáneas (corriente en cualquier punto en la onda sinusoidal), al cuadrado.

Transitorios de Baja Tensión

Reducciones de la tensión de corriente efectiva que dura de medio ciclo a un minuto.

Célula de Selenio Un dispositivo de supresión de pico antiguo elaborado de rectificadores metálicos. Este dispositivo fue reemplazado por el varistor de óxido de metal en los años 1980.

Acometida El punto en el cual la energía eléctrica entra a un edificio.

Derivación Un circuito en paralelo de baja resistencia utilizado para desviar la corriente.

Diodo de Avalancha de Silicio (SAD)

Un componente de supresión de picos de estado sólido que es extremadamente rápido pero no tiene la capacidad de manejar corrientes importantes. No se utiliza comúnmente en aplicaciones CA.

Pico Transitorio Véase “Pico”.Estándar Lineamientos y reglamentos para la fabricación de

equipos eléctricos. Pico Una distorsión de tensión simple, no repetitiva de

menos de 0.5 ciclos de duración. (Se conoce también como “Pico transitorio”, “Transitorio”, o bien “Impulso de Tensión”).

Página 37


Capacidad de Corriente Transitoria

El impulso de corriente pico 8/20 us máximo que el dispositivo de protección contra transitorios puede sobrevivir con base en un solo impulso, sin afectar el desempeño o degradar en más de 10 por ciento la desviación de la tensión de estabilización.

Dispositivo de Protección contra Transitorios (SPD)

Un dispositivo utilizado para proteger los equipos electrónicos contra variaciones dañinas de la calidad de la energía eléctrica.

Transitorios de Alta Tensión

Incrementos de la tensión de una corriente efectiva que dura menos de un ciclo hasta un minuto.

Switchboard Un dispositivo de distribución de energía eléctrica en piso para uso en aplicaciones comerciales e industriales. Divide grandes bloques de corriente eléctrica en bloques menores utilizados por los equipos eléctricos. NEC lo define como un tablero individual grande, marco o grupo de tableros en los cuales se montan, en la parte frontal o posterior, o en ambas partes, interruptores de sobrecorriente y otros dispositivos de protección, buses e instrumentos habituales.

Transitorio Véase “Pico”.Supresores de Pico de Tensión Transitorios (TVSS)

Véase “Dispositivo de Protección contra Transitorios”.

Transformador Un dispositivo utilizado para incrementar o reducir un nivel de tensión.

UL Underwriters Laboratories.Suministro de Energía Ininterrumpible (UPS)

Un sistema diseñado para proporcionar energía eléctrica de manera automática, sin retardo ni transitorios, durante un período cuando el suministro normal de energía eléctrica no puede funcionar de manera aceptable.

Tensión La fuerza aplicada a un conductor para liberar electrones, provocando el flujo de la corriente eléctrica.

Impulso de Tensión Véase “Pico”.Watt La unidad básica de energía eléctrica, indicando la

cantidad de trabajo efectuada cuando un volt causa que un ampere pase a través de un circuito.

Y Un arreglo de conexión de motor en donde un extremo de cada una de las tres fases está conectado a las demás fases internamente. El extremo restante de cada fase es después sacado.

Página 38


Respuestas del Repaso 1

1. La respuesta debe decir básicamente: “Un pico eléctrico o transitorio es una perturbación eléctrica aleatoria, de alta energía y corta duración”.

2. No.

3. Tres de los siguientes: picos o transitorios, variaciones de tensión multicícli-cas, distorsión por ruido, armónicas.

4. La respuesta debe decir básicamente. “Un transitorio de baja tensión puede ser causado cuando varios motores grandes arrancan a la vez. Fallas en los sistemas de distribución o mal funcionamiento de los equipos de las empre-sas de suministro de la energía eléctrica pueden también causar transitorios de baja tensión. Los transitorios de baja tensión pueden afectar las bobinas de los arrancadores de motor que son diseñadas para desconectarse cuando la tensión es inferior al 85%. Los transitorios de alta tensión son provocados a veces cuando existe una reducción repentina de cargas. Fallas individuales de línea a tierra o la conexión de una gran batería de capacitores puede resultar en condiciones de transitorios de alta tensión o sobretensión”.

5. No.


1. C

2. B

3. La respuesta debe decir básicamente. “Un enfoque en dos etapas es recomendado por IEEE. La primera etapa es un dispositivo de protección contra transitorios colocado en la acometida. La segunda etapa se coloca justo antes de las cargas críticas para manejar cualquier tensión residual”.

4. La respuesta debe decir básicamente: “El dispositivo de supresión está conectado directamente a las barras bus, eliminando la mayor parte de la impedancia asociada con la colocación de un cable hacia un dispositivo de supresión externo. Una impedancia más baja se traduce directamente en una tensión transmitida menor. La longitud de conector de instalación (alam-brado) reduce el desempeño de los supresores de transitorios. En términos generales, Cada pulgada de longitud de conductor de instalación agrega entre 15 y 25 volts a la tensión transmitida”.


1. MOV, SAD

2. A. 3B. 6C. 2D. 5E. 1F. 4


1. A. 250B. 100

2. La respuesta debe decir básicamente: “Los fabricantes no están obligados a probar independientemente sus unidades para comprobar las especifica-ciones de capacidad de corriente de transitorios publicadas. La mayoría de las especificaciones publicadas son teóricas, se calculan sumando las capacidades de los varistores de óxido de metal individuales. Los especialis-tas en especificaciones deben solicitar que los fabricantes presenten reportes de pruebas independientes de laboratorios confirmando los valores nomina-les publicados”.

Página 39


3. Cinco de los siguientes: Corriente de transitorio por fase, Tensión transmitida, Filtro efectivo, Instalación integrada, Fusibles internos, Monitoreo y diagnósti-cos confiables, Prueba independiente.

Página 40

Serie Básica 101 - eaton.mxpub/@mexico/documents/content/… · Protección contra Picos y...

Documents

Transcript of Serie Básica 101 - eaton.mxpub/@mexico/documents/content/… · Protección contra Picos y...