Protectores de sobretensión (SPD)

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Tecnología de punta para la protección contra
este tipo de defectos.

Sobretensiones transitorias provenientes de rayos, operaciones
de conmutación en la red eléctrica o interferencias parásitas,
representan la principal causa de falla en dispositivos eléctricos/ electrónicos y pérdida de productividad.

Con la experiencia adquirida en las últimas décadas, ABB ha desarrollado una extensa oferta de productos con tecnología de punta para la protección contra este tipo de defectos.
La gama de dispositivos ABB para protección contra sobretensiones (SPD), ofrece variadas alternativas para asegurar la continuidad de servicio de redes eléctricas de baja tensión, líneas telefónicas, de datos y sistemas de generación foto voltaico.
Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) están diseñados para proteger contra condiciones de sobretensiones transitorias.
La caída de rayos y anomalías en la red de distribución solo representan el 20% de las sobretensiones transitorias, mientras que el 80 % se producen internamente en una instalación.

01 análisis de daño a equipamiento electrónico realizado en Francia en el segmento residencial por AVIVA, una de las mayores compañías aseguradoras (www.aviva.com)

Realidad actual
En un momento en que los equipos electrónicos se han vuelto cada vez más sensibles, los sectores residencial, comercial e industrial se han vuelto más dependientes de sus computadoras y sistemas de control y comunicaciones.
Con el proceso de miniaturización de circuitos y componentes electrónicos, los equipos modernos ahora son más propensos a sufrir daños por sobretensiones transitorias. La caída de un sistema informático debido a una sobre tensión transitoria puede llegar a tener consecuencias catastróficas, considerando pérdidas de operación, de servicio y de información, impactando directamente la productividad.
En la mayoría de los casos, hay enormes consecuencias cuyo costo supera con creces el del equipo dañado.

¿Qué es una sobretensión transitoria y cómo se origina?
La sobretensión transitoria es un pico de tensión de alta magnitud y duración breve, con flancos ascendentes rápidos. Los voltajes transitorios pueden alcanzar hasta 6000 V en una red de consumo de baja tensión, con una duración de no más de un milisegundo.
Las sobretensiones transitorias son causadas por impactos directos o indirectos de rayos y conmutaciones en la red eléctrica, tales como transferencias a sistemas de respaldo, maniobras de cargas eléctricas (interruptores, motores, capacitores, etc.).
La magnitud y el tiempo de la sobretensión transitoria depende principalmente del origen, como se puede apreciar en el siguiente gráfico.

 

 

A – Armónicos
B – Micro interrupciones
C – Sobretensiones por conmutación
D – Descarga atmosférica indirecta
E – Descarga atmosférica directa
Los rayos son la fuente más común de sobretensiones transitorias extremas.
Cuando un rayo cae directamente sobre un edificio equipado con un sistema de protección contra rayos (LPS), la corriente se disipa a tierra a través de los
conductores de bajada. Sin embargo, la sobretensión transitoria se puede propagar al edificio mediante la puesta a tierra de la instalación eléctrica.

Este tipo de efecto puede provocar un incendio, dañar la instalación interna y equipos eléctricos/ electrónicos o peor aún puede lesionar a los habitantes del inmueble.
Lo mismo podría pasar si un rayo cae en la línea externa conectada al edificio, que puede, a través de los cables, crear fuego y daños a la instalación eléctrica interna.

02 Caída directa de un rayo en el edificio 03 Impacto de rayo en línea aérea conectada al edificio

Onda 10/350
Para simular un impacto directo de un rayo (edificio o línea conectada al edificio), en laboratorio se utiliza una forma de onda denominada 10/350, debido a que alcanza un 90% de la energía a los 10 microsegundos y desciende hasta un 50% a los 350 microsegundos. El área bajo la curva es la energía liberada.

Sobretensiones transitorias por efectos indirectos del rayo
Las sobretensiones transitorias también pueden ser el efecto de una caída de rayos cerca del edificio o cerca de líneas externas conectadas al edificio. En
este caso, el campo electromagnético creado por la corriente del rayo generará acoplamientos resistivos e inductivos. Como consecuencia, estos pueden
provocar un mal funcionamiento o daños graves en la instalación interna o en los equipos.

04 Caída de rayos cerca de un edificio 05 Caida de rayos cerca de una línea aérea

Sin embargo, los equipos eléctricos y electrónicos también se ven afectados continuamente por cientos de transitorios que ocurren todos los días en las
operaciones de conmutación de la red de suministro eléctrico. Aunque los transitorios por conmutación son de menor magnitud que los transitorios generados por rayos, ocurren con más frecuencia y las fallas inesperadas en equipos se producen desplazadas en el tiempo, por la degradación de componentes electrónicos, que se acelera debido al estrés continúo causado por los transitorios de conmutación.
Las sobretensiones transitorias, ya sean causadas por rayos o por conmutación eléctrica, tienen efectos similares en los equipos electrónicos. Por lo tanto, es importante instalar un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD). Los SPD son diseñado para salvaguardar sistemas y equipos
eléctricos contra sobretensiones e impulsos transitorios como los causados por impactos de rayos y conmutaciones en la red eléctrica.

Onda 8/20
Para simular un impacto indirecto de un rayo (cerca de un edificio

o cerca de una línea conectada al edificio), en laboratorio se utiliza una forma de onda
denominada 8/20, debido a que alcanza un 90% de la energía a los 8 microsegundos y desciende hasta un 50% a los 20 microsegundos. El área bajo la curva es la energía liberada.

06 Daños por sobretensión transitoria en una placa electrónica 07 La mayor parte del daño es apenas visible

¿Qué es un SPD y cómo funciona?
Los SPD (Surge Protective Device), en español Protector contra Sobretensiones, son dispositivos que canalizan a tierra la corriente generada por una sobretensión transitoria, evitando que voltajes elevados lleguen a los equipos eléctricos y electrónicos de la instalación protegida.
Estos dispositivos contienen al menos un componente no lineal. Su función es desviar la corriente de descarga o impulso y limitar la sobretensión a los
equipos aguas abajo. En condiciones normales de red un SPD, no tiene influencia sobre el sistema donde está instalado. Actúa como un circuito abierto y mantiene el aislamiento entre los conductores activos y la tierra. Cuando ocurre un aumento de voltaje (transitorio), el SPD reduce su impedancia en nanosegundos y desvía la corriente de impulso. El SPD se comporta como un circuito cerrado, la sobretensión se cortocircuita y se limita a un valor aceptable para los equipos eléctricos conectados aguas abajo. Una vez que desaparece la sobretensión del impulso, el SPD volverá a su impedancia original y volverá a la condición de circuito abierto.

08 Sobretensión transitoria sin SPD
09 Sobretensión transitoria con SPD

Elección de un SPD
El tipo de SPD a utilizar depende de múltiples factores, tales como la ubicación dentro de la instalación, tensión de impulso nominal del equipo en esta ubicación, la energía de sobretensión transitoria que el SPD debe limitar y el nivel de tensión de protección. Las sobretensiones transitorias más grandes se esperan en la entrada de servicio, es decir, en el origen de la instalación. Además, las sobretensiones transitorias se pueden anticipar en equipos sensibles y críticos como resultado de la conmutación eléctrica dentro de la instalación.
Por lo tanto, los supresores deben ser instalados según corresponda en el tablero de distribución principal, en el tablero de sub-distribución para proteger el equipo sensible y tablero local para proteger el equipo crítico. Cuando se instalan múltiples supresores en el mismo conductor, estos deben coordinarse entre sí para garantizar que los niveles de protección no se vean comprometidos dentro del sistema.

Clases o Tipos
El estándar IEC/EN 61643 clasifica los SPD en clases o tipos:
Tipo 1
Deben instalarse en la entrada de servicio donde se instala un LPS (Sistema de Protección contra el Rayo) o existe una línea de servicio aérea con riesgo
de impacto directo de un rayo. No brindan protección a los sistemas electrónicos.
Tipo 2
Deben instalarse aguas abajo para proteger los equipos sensibles y críticos. Estos supresores protegen contra las sobretensiones transitorias causadas por los impactos indirectos de un rayo (acoplamiento inductivo o resistivo) y la conmutación eléctrica de grandes cargas inductivas.

Tipo 3
Tienen una baja capacidad de descarga con mejores niveles de protección de voltaje en modos diferenciales (fase a neutro). Por lo tanto, deben instalarse
obligatoriamente como un suplemento a los supresores Tipo 2 y cerca de cargas sensibles.
Combinados
Se clasifican con más de un tipo o clase; Tipo 1+2, Tipo 2+3. Dichos supresores pueden proporcionar tanto la protección contra sobretensión del impacto
directo de un rayo como la protección entre todas las combinaciones de conductores (o modos de protección) dentro de una sola unidad.

Nivel de tensión de protección (Up)
La característica más importante de un SPD es su nivel de protección de tensión (Up) y no su resistencia a la energía (por ejemplo, Iimp).
Los SPD con niveles de protección de tensión más bajos (o voltaje de paso) ofrecen una protección mucho mejor para los sistemas electrónicos sensibles y críticos, que incluyen:
• Estrés mínimo del equipo (es decir, mantener la degradación del circuito al mínimo)
• Riesgo reducido de voltajes inductivos en los cables de conexión del SPD
• Menor riesgo de oscilaciones de tensión aguas abajo
Nivel de tolerancia a tensiones de impulso en equipos eléctricos y electrónicos.
Los niveles de tolerancia de los equipos están clasificados de acuerdo con 4 categorías, conforme a la IEC 60364-4-44, IEC 60664-1 y IEC 60730-1.
Determinación del nivel de protección: Up
Todo equipamiento debe ser construido para soportar tensiones de impulso según norma IEC. Los aparatos eléctricos y electrónicos que podemos encontrar en casas, comercio e industria, deben mostrar esta información, ya sea en su placa de características o en la ficha técnica.
En la tabla están clasificados todos los equipos por familias y las tensiones de impulso que deben soportar como mínimo.

Con este nivel de tensión, podemos determinar una de las características más importantes en la selección de
un SPD, el nivel de tensión de protección (Up) requerido.
Corriente de impulso (Iimp)
Es la clasificación máxima de corriente de descarga para SPDs Tipo 1, cuando es sometido a una forma de onda 10/350
Corriente de descarga máxima (Imax)
Es la clasificación máxima de corriente de descarga para SPDs Tipo 2, cuando es sometido a una forma de onda 8/20
Voltaje Nominal (Un)
Corresponde al nivel de voltaje nominal del SPD al cual será sometido (230 V F-N o 400 V F-F).
En resumen, para seleccionar un SPD debemos considerar como mínimo los siguientes Datos:
• Tipo según lugar de instalación (Tipo 1, Tipo 2, Tipo 3, Tipo 1+2, Tipo 2+3)
• Corriente de impulso (Iimp) onda 10/350, para selección de SPD Tipo 1 (kA)
• Corriente de descarga máxima (Imax) onda 8/20, para selección de SPD Tipo 2 (kA)
• Nivel de tensión de protección (Up) (kV)
• Tensión nominal (Un) (V)
• Número de fases (1F, 1F+N, 3F, 3F+N)

Se hace referencia a estos dispositivos en los nuevos pliegos técnicos normativos:
– RIC 06, punto 6.2.2
– RIC 07, punto 5.6.2.10
– RIC 11, puntos 8.3.12; 9.5.3.3
– RIC 15, puntos 12.7.1; 12.7.3

Reglas de instalación para SPD
1. Dispositivo de Back-Up

Para asegurar la continuidad de servicio en caso de activación o destrucción del protector, se debe instalar aguas arriba de éste un interruptor automático o fusible, según las características recomendadas para el SPD utilizado.

2. Regla de los 50 cm
Para asegurar que las cargas sean sometidas a la mínima tensión posible durante la sobretensión, la distancia “L” debe ser la más corta posible, no debe superar los 50 cm entre el terminal de tierra y la barra de alimentación de la protección de back-up.
De no ser posible respetar la distancia, se debe utilizar un SPD con una tensión residual (Up) inferior o considerar el uso de un segundo descargador.

En caso de que la longitud de la conexión (L = L1 + L2 + L3) supere los 50 cm, se recomienda adoptar uno de los siguientes pasos:
a. Reducir la longitud total L:
• Desplazando el punto de instalación del SPD en el tablero: Mediante cableado en V, o “entrada-salida”, que permite reducir las longitudes de las conexiones a cero (sin embargo, debe asegurarse de que la corriente nominal de línea sea compatible con la corriente máxima tolerada por los terminales del SPD).
• En tableros grandes conectar la PE entrante a una barra de tierra cerca del SPD (la longitud de la conexión es solo el alambrado desde este punto hasta el SPD, que sería de unos pocos cm); aguas abajo del punto de conexión, el PE se puede llevar a la barra de tierra principal.

b. Elija un SPD con un nivel de protección (Up) más bajo:
Instale un segundo SPD coordinado con el primero lo más cerca posible del dispositivo a proteger, de manera que el nivel de protección sea compatible con la tensión soportada por el aparato.

3. Líneas eléctricas y zona de conexión
Es necesario disponer las líneas en un gran bucle contenido entre las fases, el neutro y el conductor PE, de modo que los conductores estén lo más cerca

posible entre sí (imagen 10) para evitar sobre tensiones inducidas por acoplamiento inductivo a consecuencia de la caída de un rayo indirecto.
A – Interruptor principal
B – Salida distribución
C – Protección de back-up SPD
D – SPD

4. Cableado de líneas protegidas y no protegidas
Durante la instalación, canalice el cableado protegido y no protegido de acuerdo con las instrucciones de los diagramas a continuación.
Para evitar el riesgo de acoplamiento electromagnético entre diferentes tipos de cables, se recomienda encarecidamente que se mantengan separados entre sí (> 30 cm) y que cuando no sea posible evitar que se crucen, éste se debe realizar ángulo recto.
5. Puesta a tierra equipotencial
Es fundamental comprobar la equipotencialidad de las tierras de todos los equipos.
También se debe distribuir la conexión a tierra del equipo, a partir de la conexión del SPD que lo protege. Esto permite limitar las distancias de conexión y por tanto la tensión Uprot.
6. Sección de las conexiones
Cableado entre los conductores de la red activa y el SPD
La sección del cable debe ser al menos igual a la del cableado aguas arriba. La forma del cableado es más importante que la sección.
La sección recomendada para el tablero principal es de 10 mm² para fase y neutro y de 16 mm² para tierra.
Cableado entre el SPD y tierra
La sección mínima es de 4 mm² en el caso de que no haya pararrayos, y de 10 mm² en el caso de que esté instalado. No obstante, se recomienda utilizar un cable de mayor sección para dejar un margen de seguridad, por ejemplo 10-20 mm2.
7. Coordinación entre SPD
En caso de requerir coordinar varios SPD en una misma instalación, la distancia entre protectores no puede ser inferior a 5 metros.

De este modo, se logra que el dispositivo instalado más cerca de la carga, actúe antes que el protector principal.

Resumen de reglas a considerar por el instalador:
Distancias de conexión < 50 cm
Terminal de tierra lo más cercano al SPD
Protección de respaldo (back-up) dedicada al SPD
Protección instalada antes de los RCD
Reducción del bucle entre las fases, neutro y tierra
Los productos ABB instalados profesionalmente brindan una protección superior contra sobretensiones transitorias que evitan tiempos de inactividad innecesarios y reparaciones costosas.
Si necesita más información contáctenos, estaremos atentos a sus requerimientos.

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