OBJETIVO DEL ARTICULO
Que el lector entienda el concepto de sobre-voltajes transitorios, los diferentes tipos existentes, las principales causas, los efectos adversos sobre los equipos eléctricos y electrónicos conectados al sistema eléctrico, y los conceptos básicos de protección contra este tipo de eventos.
DEFINICIONES
- DESCARGA ATMOSFÉRICA (RAYO): Corriente eléctrica que se forma entre las nubes y la tierra debido a altas diferencias de potencial (aproximadamente 125 millones de Volts), de corta duración (micro-segundos) y muy alta magnitud (más de 20,000 Amperes).
- TRANSFORMADOR DE SERVICIO: Es el equipo eléctrico utilizado para convertir el voltaje de distribución (usualmente media tensión, por ejemplo 34.5 kV, 23 kV, 13.8 kV) a un voltaje apropiado para ser utilizado por los equipos eléctricos y electrónicos como motores, alumbrado, bancos de capacitadores, etc.
- TABLERO DE SERVICIO: Es el primer medio de desconexión después de un transformador de servicio.
- TRANSITORIO: Que no es permanente, que dura solo un tiempo determinado y luego desaparece.
- SOBRE-VOLTAJE: Cualquier valor de voltaje mayor al voltaje nominal del equipo eléctrico.
- SUPRESOR DE SOBRE-VOLTAJES TRANSITORIOS: Un dispositivo de protección que limita los sobre-voltajes transitorios mediante la descarga o desviación de la corriente transitoria; previniendo el flujo continuo de corriente mientras se mantiene en capacidad de repetir estas funciones.
¿COMO SE GENERAN LOS SOBRE-VOLTAJES TRANSITORIOS?
Existen diferentes causas por las cuales pueden generarse los sobre-voltajes transitorios, pero para esta explicación utilizaré una descarga atmosférica (rayo). En la siguiente figura se ilustra de manera simplificada un sistema de distribución por medio de postes y conductores aéreos, que en un momento determinado, se derivan hacia la instalación eléctrica de un usuario tipo industrial.
Un rayo cae directamente (o muy cerca) de las línea de distribución de media tensión (supongamos 13,800 Volts). En ese momento, la tremenda energía del rayo se acopla a las lineas de distribución (el acoplamiento puede ser óhmico, inductivo o capacitivo, los cuales serán explicados a detalle en otro documento) generando un sobre-voltaje que puede llegar a ser muy alto (supongamos 120 kV), pero de muy corta duración (del orden de los micro-segundos). Este sobre-voltaje se propaga por toda la línea de distribución en forma de onda a la velocidad de la luz hacia el transformador de servicio (en este esquema localizado en la parte exterior de la planta industrial), pasa a hacia el tablero de servicio, y continua hacia las cargas del sistema.
No solamente los rayos producen sobre-tensiones transitorias, otros eventos también los producen. Operaciones de switcheo, como la entrada y salida de circuitos, la interconexión entre diversos proveedores, la conexión o desconexión de bancos de capacitores, la liberación de cortocircuitos por reveladores o re-cierres, son causas comunes de picos de sobre-voltaje. Normalmente la magnitud de los sobre-voltajes transitorios debido a operaciones de switcheo es menor que los provocados por descargas atmosféricas.
NATURALEZA DE LOS SOBRE-VOLTAJES
En la siguiente figura podemos ver que en el momento de generarse un sobre-voltaje transitorio, el voltaje de la línea sube rápidamente, formando una pendiente muy pronunciada de incremento de voltaje en el tiempo (dV/dt) hasta llegar al valor máximo (pico) y luego decae un poco mas lento hasta estabilizarse en el voltaje nominal. Debido al rápido incremento de voltaje contra tiempo, los sobre-voltajes se consideran eventos de alta frecuencia.
En los sistemas eléctricos reales, el pico de sobre-voltaje es usualmente acompañado por un periodo de resonancia por efecto de las características de inductancia y capacitancia del circuito. En la siguiente figura podemos apreciar como se ven sobre-voltajes transitorios en un analizador de redes o en un osciloscopio.
EFECTOS ADVERSOS SOBRE EQUIPOS ELÉCTRICOS
Aunque son eventos de muy corta duración, debido a la alta cantidad de energía contenida en ellos, los sobre-voltajes transitorios pueden dañar a los equipos eléctricos en su camino (transformadores, interruptores de potencia, switches de alta tensión, cables de potencia, etc.) . Aunque los equipos eléctricos se diseñan para tener una cierta capacidad de tolerar picos de sobre-voltaje, éstos pueden ser mayores a la capacidad de aguante de los equipos eléctricos, y por lo tanto provocar fallas en los aislamientos lo que lleva a corto-circuitos, fallas a tierra y otros eventos destructivos.
CAPACIDAD DE LOS EQUIPOS PARA TOLERAR SOBRE-VOLTAJES TRANSITORIOS
La característica que describe la inmunidad de los equipos eléctricos contra sobre-voltajes transitorios se denomina BIL (siglas de Basic Impulse Level). Para asignarle un valor BIL a un equipo eléctrico, éste se debe someter a una prueba estandarizada avalada por alguna agencia (IEEE, ANSI, IEC, etc.). La prueba mas común se denomina 1.5/40 voltage wave. El equipo eléctrico es sometido a un sobre-voltaje que se eleva desde 0 hasta el 100% del voltaje de la prueba en 1.5 micro-segundos, y disminuye su intensidad hasta el 50% del voltaje de la prueba en 40 micro-segundos. Si el equipo pasa la prueba, se le asigna un valor BIL igual al 100% del voltaje de la prueba. La siguiente figura ilustra esta prueba.
Como ejemplo, asumamos que se quiere determinar el BIL de un equipo eléctrico. A este equipo se le aplica una onda de sobre-voltaje que sube de cero a 95 kV en 1.5 micro-segundos, y luego el sobre-voltaje disminuye a 47.5 kV en 40 micro-segundos. Si el equipo pasa la prueba, se le puede asignar un valor BIL de 95 kV. El valor BIL usualmente lo encontramos en la placa de datos del equipo eléctrico.
PROTECCIÓN CONTRA SOBRE-VOLTAJES TRANSITORIOS
En la placa de datos de la figura superior podemos ver que el transformador en el primario puede soportar sobre-voltajes transitorios de hasta 95 kV con forma de onda 1.5/40. Una vez instalado… ¿los sobre-voltajes reales a los que va a estar sometido este equipo son mayores o menores a 95 kV? No tenemos manera de saberlo, y es muy probable que los sobre-voltajes reales sean mayores que la capacidad de los equipos, por lo que se hace necesario que utilicemos una protección contra sobre-voltajes transitorios adecuadamente seleccionada. En media y alta tensión, a estos equipos se les llama APARTA-RAYOS (en inglés SURGE ARRESTERS). En baja tensión, se les conoce como supresores de picos (en inglés Surge Protection Device o SPD, también Transient Voltage Surge Supressor o TVSS).
PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO DE UN APARTA-RAYOS
En la siguiente figura podemos apreciar un circuito eléctrico que consiste en una linea de distribución que alimenta a varios consumidores. En algún punto, nuestro sistema eléctrico se conecta a la linea de distribución por medio de un fusible que alimenta a un transformador, que a su vez alimenta a un tablero de servicio que tiene un interruptor principal y tres interruptores derivados.
En este circuito hemos instalado un apartarrayos inmediatamente arriba del fusible. La función de esta apartarrayos es la de proteger al fusible y al transformador contra picos de sobre-voltaje en el lado primario (media tensión).
La mayoría de los apartarrayos modernos son del tipo varistor de óxidos metálicos o MOV (por sus siglas en inglés para Metal Oxide Varistor). Los MOV son un tipo de semiconductor con la característica que su resistencia varia con respecto al voltaje. A ciertos valores de voltaje el MOV se comporta como una resistencia muy alta (tendiendo a infinito), pero cuando el voltaje es mayor al voltaje de clamp, la resistencia del MOV se reduce dramáticamente (tendiendo a cero).
El apartarrayos está conectado entre la línea de alimentación y tierra, por lo que entre sus terminales está constantemente presente el voltaje línea-tierra. Cuando el voltaje entre línea y tierra es menor al voltaje de clamp del MOV, su resistencia es muy alta y se comporta casi como un circuito abierto. La única corriente fluyendo entre el MOV y tierra es la corriente de fuga, la cual es muy pequeña y se puede despreciar. Toda la energía del circuito fluye de la línea de distribución hacia las cargas.
Cuando un rayo cae en la linea de transmisión (ver la siguiente figura), se genera una onda de sobre-voltaje transitorio que viaja kilómetros a través de la línea, y se desvía hacia el circuito de nuestro fusible y transformador. En el momento en el que el voltaje entre línea y tierra es mayor al voltaje de clamp del MOV, éste cambia su resistencia a casi cero, provocando una sobre-corriente (cortocircuito) entre línea y tierra, lo que provoca que el voltaje entre línea y tierra disminuya (tiende a cero). Cuando el voltaje entre línea y tierra disminuye a un valor menor al voltaje de clamp del MOV, éste regresa a su resistencia muy alta, que es su estado normal y listo para volver a repetir sus funciones de protección.
Recordemos que la función del apartarrayos es proteger al fusible y al transformador en el lado de media tensión, por lo que sobre-voltajes transitorios que no son un peligro para estos equipos pueden pasar a través del transformador hacia el sistema de baja tensión y distribuirse por el sistema hasta llegar a los equipos electrónicos sensibles y causarles daño. Se recomienda entonces el uso de supresores de picos (TVSS). Usualmente los TVSS se instalan en cascada:
- Un supresor sumamente robusto en el tablero de distribución principal
- Supresores robustos en los tableros de distribución
- Supresores menos robustos al pie de los equipos que se desean proteger.
Con este arreglo, se protege a los equipos electrónicos sensibles de sobre-voltajes que pueden venir del exterior de la planta, así como de sobre voltajes de menor intensidad (pero mayor frecuencia) que se generan dentro de la planta por acciones de switcheo (entrada y salida de bancos de capacitores automáticos, entrada y salida de motores, prendido y apagado de circuitos inductivos o de alumbrado, etc.).
SELECCIÓN DE APARTA-RAYOS
CLASE: La clase de un aparta-rayos depende de la importancia o valor del equipo que se va a proteger, del nivel básico de aislamiento y de la magnitud de las corrientes que el aparta-rayos debe tolerar.
- Aparta-rayos clase subestación: Se seleccionan para la protección de equipos que puedan estar expuestos a sobre-voltajes transitorios muy grandes debido a su ubicación o a switcheos constantes en las líneas. Son capaces de tolerar altas corrientes de cortocircuito entre fase y tierra.
- Aparta-rayos clase intermedia: Se diseñan para dar protección económica y confiable a equipos de media tensión.
- Aparta-rayos clase distribución: Se utilizan comúnmente para la protección de transformadores y equipos auxiliares de 1000 kVA o menos. También se utilizan para la protección de equipos rotativos de media tensión.
VOLTAJE NOMINAL: El voltaje nominal del aparta-rayos a utilizar depende de varios factores:
- Voltajes del sistema: Voltaje de línea a línea, voltaje de línea a tierra, y sobre-voltajes temporales.
- Configuración y aterrizamiento del sistema: Delta, estrella, sólidamente aterrizado, aterrizado a través de una impedancia, no-aterrizado.
- Condiciones de servicio: Interior, exterior, altitud, ambientes corrosivos o contaminantes, etc.
INSTALACIÓN
- Los aparta-rayos se deben instalar lo mas cerca posible al equipo a proteger.
- Se debe instalar un aparta-rayos por cada línea a proteger.
- El conductor de puesta a tierra debe ser lo más corto y recto posible. Evitar excedentes de cable, curvas de 90 grados, y empalmes.
- Las conexiones a tierra se deben hacer con soldadura exotérmica o conectores mecánicos diseñados y listados para ser utilizados en sistemas de tierra.
- Se debe instalar de manera tal que las personas no-calificadas no tengan acceso.
- Se deben seguir las instrucciones de instalación del fabricante.
MANTENIMIENTO
PRECAUCIÓN: Solo personal calificado, utilizando los procedimientos adecuados, y el equipo de protección personal (EPP) apropiado contra riesgos eléctricos, puede acercarse y dar mantenimiento o realizar pruebas a los apartarrayos.
- Inspección visual y mecánica: Se deben de inspeccionar y ajustar (de ser necesario) las conexiones mecánicas, el alineamiento, el aterrizamiento, limpiar polvo y otros contaminantes.
- Medición de la resistencia del electrodo de puesta a tierra: La resistencia del electrodo de puesta a tierra debe ser lo mas baja posible. Algunos estándares llegan a pedir resistencias tan bajas como 0.5 Ohm. Se deben utilizar procedimientos adecuados (método de caída de potencial o de tres puntos) e instrumentos certificados para la medición.
- Resistencia de aislamientos: Se deben seguir las instrucciones del fabricante para seleccionar el voltaje de prueba. Valores bajos de resistencia deben considerarse para la decisión de dar mantenimiento o reemplazar el equipo.
CONCLUSIONES
- Los sobre-voltajes transitorios son ocurrencias normales en los sistemas eléctricos, por lo que los equipos eléctricos y electrónicos se deben de proteger.
- Una protección contra sobre-voltajes adecuadamente seleccionada, instalada y mantenida debe proteger de manera segura a los equipos eléctricos.
- En el lado de alta y media tensión se deben utilizar apartarrayos para proteger equipo eléctrico.
- En el lado de baja tensión, se deben utilizar supresores de picos para la protección de equipo electrónico sensible.
[comment comment_file =”/short-comments.php”]