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Protección contra Sobretensiones
Las sobretensiones destruyen a menudo instalaciones y aparatos eléctricos y
electrónicos. Los daños no solo se limitan a las instalaciones industriales y
profesionales sino que también se extienden hasta los aparatos de uso diario en el
hogar.
Sin medida de protección eficaz contra sobretensiones hay que calcular altos costos
para reparación o nueva adquisición de los dispositivos afectados.
De esta manera es comprensible que las medidas de protección para evitar
destrucciones debidas a sobretensiones resulten interesantes, tanto para el hogar
como para el campo industrial o profesional. Un concepto de protección eficaz contra
sobretensiones abarca los campos de la alimentación de corriente, instalaciones
telefónicas, instalaciones de antenas, instalaciones de recepción así como la técnica
de procesamiento de datos y de mando. Es importante que todos los conductores
que están conectados en un aparato se conecten con un descargador de
sobretensiones apropiado.
Considerando el valor total a proteger, la instalación de aparatos de protección
adecuados se amortiza por regla general, al evitar tan solo una vez la destrucción de
una instalación electrotécnica o de un aparato.
Los aparatos de protección contra sobretensiones actúan no obstante múltiples
veces, siempre que los parámetros de potencia no sean sobrepasados, de manera
que el usuario obtiene un aprovechamiento esencialmente superior.
Generalidades
Las sobretensiones transitorias se originan como consecuencia de descargas de
rayos, maniobras de conmutación en circuitos eléctricos y descargas electrostáticas.
La energía que aporta la descarga de un rayo no puede ser soportada por la más
robusta construcción de una alimentación de baja tensión de un edificio ni por una
instalación industrial, sin medidas de protección mediante descargadores de
corrientes de rayo y descargadores de sobretensiones. Las sobretensiones actúan
temporalmente en el lapso de millonésimas de segundo. A pesar de todo, estas
tensiones, a menudo sumamente altas, destruyen circuitos electrónicos o el
aislamiento entre las pistas de circuitos impresos.
Aunque un aparato eléctrico o electrónico haya aprobado el ensayo de resistencia a
tensiones eléctricas, aún no está en condiciones para poder soportar, sin
destrucción, todas las acciones ambientales en cuanto a la compatibilidad
electromagnética.
Para evitar que las sobretensiones puedan destruir instalaciones eléctricas, todas las
interfases en peligro como entrada de señales y alimentaciones de baja tensión
tienen que conectarse con aparatos de protección contra sobretensiones.
Según el caso de aplicación, se disponen componentes como, descargadores de
arco, descargadores gaseosos, varistores y diodos supresores de manera individual
o combinados en un circuito, ya que los componentes se diferencian en los datos de
derivación y limitación.
Con la denominación "círculo de protección eficaz" se especifica una medida
completa para protección contra sobretensiones.
El primer paso para elaborar un concepto de este tipo es la inclusión de todos los
aparatos y zonas de la instalación a proteger. Luego se evalúa el nivel de protección
necesario de todos los aparatos incluidos. Fundamentalmente se distinguen los
distintos tipos de circuitos según los siguientes campos:
- Alimentación de corriente
- Técnica de medida, control y regulación (MCR)
- Instalaciones de procesamiento de datos
- Telecomunicación
- Equipos emisores-receptores.
La instalación o aparato a proteger tiene que incluirse dentro de un círculo de
protección imaginario, tal como representa la figura. En todos los puntos de corte
"línea - círculo de protección" tienen que instalarse aparatos de protección contra
sobretensiones que correspondan a los datos nominales del tipo de circuito o a la
interfase del aparato a proteger correspondiente. De esta manera, la zona interior
del círculo de protección queda protegida de forma que no es posible un
acoplamiento de sobretensiones desde el exterior.
Causas de sobretensiones
Las sobretensiones se originan, en la mayoría de los casos, a través de maniobras
de conmutación en instalaciones eléctricas y por descarga electrostática.
Por lo demás, las descargas de rayos y con eso las destrucciones resultantes de
instalaciones eléctricas y electrónicas debidas a interferencias electromagnéticas
adoptan uno de los primeros puestos en las estadísticas de desperfectos de las
compañías de seguros.
El acoplamiento de sobretensiones de un sistema a otro puede ser galvánico,
inductivo o capacitivo.
Propagación de las sobretensiones
Acoplamiento galvánico: por medio de las
impedancias comunes se acoplan sobretensiones
galvánicamente desde una lugar hacia otro.
Las altas amplitudes de corrientes de rayo causan
una sobretensión a través de la resistencia de
tierra de una conexión equipotencial entre dos
aparatos conectados.
En los conductores que pasa una corriente de
rayo se genera adicionalmente una sobretensión,
que a causa de la gran velocidad de aumento de
corriente se puede atribuir, según la ley UL = L .di/dt, esencialmente a la
componente inductiva.(fig. 2a).
Acoplamiento inductivo: el acoplamiento
inductivo en una línea tiene lugar a través del
campo magnético según el principio del
transformador. Una sobretensión provoca una
corriente transitoria en un conductor con una alta
velocidad de aumento de la di/dt. Al mismo
tiempo, alrededor de este conductor se genera un
campo magnético (función del primario de un
transformador). En conductores aledaños que se
encuentran en la zona activa del campo
magnético, se induce una sobretensión (función
transformador). Ver fig. 2b.
del
secundario
de
un
Acoplamiento capacitivo: el acoplamiento
capacitivo tiene lugar, en principio, a través del
campo eléctrico entre dos puntos con gran
diferencia de potencial. Una parte o un aparato
eléctricamente conductor [1] es puesto a un
alto potencial debido a la descarga de un rayo,
por ej. la barra colectora de un pararrayos. Se
genera un campo eléctrico entre [1] y otras
partes con potencial inferior [2], por ej. una
línea de alimentación o de transmisión de
señales dentro del edificio. La tensión entre [1] y [2] tiende a igualarse lo que
conduce al transporte de una carga. Esto aporta un ascenso de tensión en la línea
afectada [2] y en el aparato conectado a ésta.(fig. 2c).
Niveles de protección contra sobretensiones
Básicamente existen tres niveles de protección contra sobretensiones:
- Basta o gruesa
- Media
- Fina
Dichos niveles están delimitados por el valor de tensión de choque que soportan los
dispositivos a proteger.
Según esto último, las protecciones bastas dejan una tensión residual de 4kV; las
protecciones medias rondan el orden de 1kV y las protecciones finas manejan
valores residuales de aproximadamente 1,5 o 2 veces la tensión nominal de la
aplicación a proteger.
Primer nivel de protección FLASHTRAB: protección basta, se emplean
dispositivos conocidos como descargadores de arco. Dichos dispositivos utilizan la
tecnología Arc Chopping; ésta se basa en dos electrodos separados por un alma
aislante cuya distancia de separación se va incrementando hacia sus extremos
terminando en una placa de rebote. Al momento de producirse una sobretensión, se
produce el arco eléctrico que se va desplazando por los electrodos hacia fuera hasta
extinguirse contra la placa de rebote. Dichos dispositivos se emplean para la
protección de tableros de alimentación principal donde los aparatos de maniobra
soportan altos niveles de tensión de choque.
Segundo nivel de protección VALVETRAB: protección media, se basa en
varistores de óxido metálico (VOM). Los varistores son resistencias que modifican su
valor de acuerdo a la tensión aplicada entre sus bornes. Debido a su naturaleza,
cuando se instala una protección por varistor, hay que tener en cuenta que siempre
circula una corriente residual, la cual hace que envejezca el dispositivo y se pueda
incendiar. Para evitar esto, las protecciones por varistor poseen una pletina soldada
en serie entre el varistor y los bornes de conexión de la protección. Cuando la
corriente residual comienza a incrementarse por el envejecimiento del dispositivo, la
pletina se desuelda dejando al varistor desconectado de la alimentación evitando su
destrucción.
Las protecciones por varistor están formadas por dos partes: el módulo varistor en sí
y los zócalos de montaje. El módulo varistor es enchufable para permitir su fácil
recambio en caso que se dañe la protección sin tener que descablear los
dispositivos.
Asimismo, el módulo varistor posee una bandera de señalización local, mientras que
el zócalo puede incluir un contacto inversor libre de potencial ambos para indicar la
falla del dispositivo. Estas protecciones se emplean para la protección de tableros de
distribución secundaria y/o tableros con dispositivos eléctricos y electrónicos de
control. Tanto las protecciones de primer nivel como las de segundo nivel, se
conectan en paralelo entre fase y tierra ó neutro según sea la topología de la red de
alimentación.
Tercer nivel de protección: protección fina de aparatos, se emplean dispositivos
tales como descargadores gaseosos y diodos supresores.
Los descargadores gaseosos están compuestos por un par de electrodos dentro de
un encapsulado relleno con un gas noble. Esto hace que a partir del orden de los
50V, el gas se ionice y así derivar el exceso de corriente generado por la
sobretensión.
Por su parte, los diodos de recuperación son simplemente dos diodos zener
conectados en serie opuestos. De esta manera se protege contra sobretensiones de
ambos lados del dispositivo, ya que un diodo zener, cuando se lo polariza en directa,
se comporta como un diodo normal, es decir conduce corriente; mientras que
cuando se lo polariza en inversa, tienen la característica de mantener una tensión
constante entre bornes. Cabe destacar que los dispositivos de protección fina
normalmente se emplean circuitos de protección combinados entre descargadores
gaseosos, varistores y diodos supresores.
La elección de los descargadores para protección de interfases, se rige según el tipo
de tratamiento de señales, como técnica de dos, tres o cuatro conductores, la
tensión máxima de señales, la resistencia a tensiones transitorias y la velocidad de
transmisión.
Los circuitos de protección específicos para interfases limitan las sobretensiones aun
valor tan bajo, que la tensión residual ya no representa ningún peligro para la
interfase. El circuito de protección actúa generalmente, tanto en el ramal de tensión
transversal como en el ramal de tensión longitudinal, es decir, entre los conductores
de señales y de los conductores de señales a tierra.
Junto a las especificaciones eléctricas, estos aparatos de protección también tienen
que estar adaptados mecánicamente a las interfases a proteger.
En la aplicación práctica, se utilizan numerosas técnicas de conexión diferentes. De
igual modo se dispone de muchas variantes de descargadores para soluciones
específicas.
Interconexión de protecciones
Se debe tener en cuenta que las
protecciones primarias deben conectarse
a una distancia no menor a los diez
metros de las protecciones secundarias.
De esta manera, la inductancia distribuida
a lo largo de los conductores, ayuda a
alcanzar más rápidamente el nivel de
tensión de actuación de la protección
primaria.
Si no se dejara esta distancia, la
protección media podría dañarse dado
que debería soportar por un tiempo muy prolongado el exceso de corriente causado
por la sobretensión.
No obstante, en caso de que se tuviera que instalar todo dentro un mismo tablero, se
debe adicionar entre ambas protecciones una bobina de desacoplamiento que sirve
para darle tiempo suficiente a la protección basta de actuar. De esta forma, con la
inductancia y las dos protecciones, se obtiene una celda µ
El inconveniente radica en que, al estar la inductancia en serie, se limita la corriente
soportada por el sistema.
Una solución a esto es la utilización de protecciones de doble nivel. Estas se basan
en los descargadores de arco pero adicionalmente incorporan un circuito de
excitación.
Con este circuito, a partir de los 0,9 kV, se genera el arco eléctrico entre los
electrodos del descargador.
El circuito de excitación se basa en un transformador multiplicador de tensión con un
primario de 0,9 kV y un secundario de 4 kV.
Empleando estas protecciones de doble nivel, las cuales se conectan en paralelo
entre fase y tierra ó neutro, evitamos la utilización de inductancias de
desacoplamiento; con lo cual no limitamos la corriente del circuito.