Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos: Limitadores de sobretensión en BT (Parte 1ª)

La evolución en las instalaciones eléctricas ha sido una constante desde que empezó a introducirse la aparamenta eléctrica. Las instalaciones aumentan en complejidad debido a la necesidad de realizar mayor número de funciones y control de todos los procesos y aspectos relacionados con la instalación eléctrica del edificio.

Esta evolución va estrechamente relacionada con la naturaleza de los receptores. Un enriquecimiento y una mayor complejidad de estos provoca que las instalaciones dejen de estar bien dimensionadas. Debido a que el precio de estos receptores es cada vez mayor, interesa conseguir una protección global de la instalación ante la mayor parte de los fenómenos que puedan aparecer en la misma.

Con esta filosofía, nacen todos los dispositivos de protección de instalaciones sobre carril DIN con los que se protegen ante la mayoría de los defectos que pueden aparecer en la red. Una larga experiencia en la protección de instalaciones eléctricas ha demostrado la necesidad de protegerlas ante otros fenómenos que normalmente no se tiene en cuenta y que han ido cobrando cada vez más importancia a lo largo de los años. A los ya conocidos defectos de sobrecargas y cortocircuitos resueltos con los interruptores automáticos magnetotérmicos, se unieron los problemas derivados de las fugas a tierra por contactos directos o indirectos, solucionados con los interruptores diferenciales de clase A, AC y la última gama de clase A superinmunizado.

En la actualidad, también es preciso realizar una protección contra las sobretensiones transitorias debidas a fenómenos atmosféricos (aproximadamente el 20% de las sobretensiones transitorias), o a maniobras en la red (aproximadamente el 80% de las sobretensiones transitorias), aunque las primeras son de un valor más elevado y, por consiguiente, más peligrosas.

Las sobretensiones transitorias pueden provocar la destrucción o el envejecimiento prematuro de los receptores a causa de un valor muy elevado de tensión en un instante de tiempo muy reducido (μs).

Reglamento de BT:

Artículo 16 aptdo. 3: protección contra sobretensiones y sobreintensidades (genérica)

Indica que los sistemas de protección para las instalaciones interiores o receptoras para baja tensión impedirán los efectos de las sobreintensidades y sobretensiones, que por distintas causas cabe prever en las mismas, y resguardarán a sus materiales y equipos de las acciones y efectos de los agentes externos.

ITC-BT 23: protección contra sobretensiones

Contiene las prescripciones de carácter obligatorio que tratan sobre la problemática de las sobretensiones transitorias y sus protecciones.

Definición de sobretensión

Es una onda o impulso de tensión que se superpone a la tensión nominal de la red.

Este tipo de sobretensión se caracteriza por:

● Elevados Impulsos de Tensión:

n Pueden alcanzar varios miles de voltios.

● Duración muy corta

n Del orden de microsegundos.

n Sobretensión Transitoria ¹ Sobretensión Permanente (TOV)

● Frente de onda muy rápido (di/dt):

n El tiempo de subida (tf) se mide en μs.

n El gradiente S se mide en kA/μs.

● Origen:

n 35% son externos a la instalación

n 65% son internos a la instalación

Estos parámetros afectan al equipo y producen radiaciones electromagnéticas.

Además, la duración de la sobretensión (T) produce un aumento de energía en los circuitos eléctricos que puede destruir el equipo.

Tipos de sobretensiones

Sobretensiones atmosféricas

Los rayos son un fenómeno eléctrico de alta frecuencia que produce sobretensiones en todos los elementos conductivos y especialmente en los cables y en las cargas eléctricas. Pueden provocar muy diversos efectos:

n Efectos térmicos

n Efectos electrodinámicos

n Efectos de combustión

n Sobretensiones conducidas

n Sobretensiones inducidas

n Aumento del potencial de tierra

Sobretensiones de maniobra

n Causadas por un cambio brusco en las condiciones de funcionamiento establecidas de una red eléctrica (conexión o desconexión de dispositivos, motores, transformadores, baterías, electrodomésticos, etc.).

Ver post: Sobretensiones de maniobra
http://imseingenieria.blogspot.com/2015/09/sobretensiones-de-maniobra.html

Sobretensiones transitorias de frecuencia industrial

n Con la misma frecuencia que la red, producidas por defectos de aislamiento en las redes de baja o media tensión.

Sobretensiones por descargas electrostáticas

n Causadas en entornos secos donde se acumulan cargas eléctricas y se crea un campo electromagnético muy fuerte.

n Los DPS (dispositivos de protección contra sobretensiones) NO protegen contra otros Problemas de Calidad de Energía como Sobretensiones Permanentes, Subtensiones, Factor de Potencia o Armónicos. Los DPS están diseñados para proteger contra Sobretensiones Transitorias únicamente

Ver post: Electricidad estática: Causas, efectos y protección
https://imseingenieria.blogspot.com/2019/02/electricidad-estatica-causa-efectos-y.html

Ondas de sobretensión transitorias

Estas ondas son las estándares que se utilizan para comprobar y definir la resistencia eléctrica de todos los electrodomésticos.

Se han definido para que sean representativas de las ondas de corriente/tensión más frecuentes (media) que inducen las caídas de rayo indirectas en los equipos eléctricos de baja tensión.

La onda «10/350 ms» representa el pulso de tensión inducido por un rayo que caiga directamente en el equipo eléctrico, que es poco posible, excepto en condiciones específicas:

n edificios con protección contra rayos primaria (pararrayos)

n ubicaciones altas en áreas montañosas

n granjas aisladas...

Modos de propagación

Modo común (MC)

n Producidas entre las partes activas y la tierra (fase/tierra o neutro/tierra)

n Peligrosas para los dispositivos con estructuras conectadas a tierra

Modo diferencial (MD)

n Producidas entre conductores activos (fase/fase o fase/neutro)

n Peligrosas para los equipos electrónicos e informáticos

Limitadores de sobretensiones para BT

En la siguiente figura se puede ver el esquema de un limitador de sobretensión monofásico para BT simple y eficaz: las tres variancias así́ conectadas protegen la instalación en modo común y en modo diferencial.

Para conseguir una buena razón disipación- energética/tensión-residual, se utiliza otra combinación de componentes, hecha para una sola fase, según el esquema de la siguiente figura:

n el explosor disipa la energía,

n las autoinducciones puestas en serie aplanan los frentes de onda, de modo que los componentes «sensibles», durante las sobretensiones, se encuentran con esfuerzos eléctricos suavizados,

n y la varistancia fija la tensión residual.

Las autoinducciones se dimensionan en función de las características de los componentes y de la corriente nominal de la línea a proteger. Este ultimo punto lleva muy frecuentemente a que este tipo de dispositivos de protección tengan un volumen y un precio considerables.

Tecnologías utilizadas

Los Limitadores de sobretensión o Dispositivos de Protección contra Sobretensiones (DPS) (en este texto se denominan de ambas formas a estos dispositivos) utilizan diferentes tecnologías para derivar los impulsos de corriente lejos de las cargas finales. Las principalmente utilizadas son:

n VOM : Varistores de Oxido Metálico

o Tecnología de limitación de la tensión.

o Deriva impulsos transitorios dejando un pequeño voltaje residual

o Su resistencia se reduce exponencialmente en proporción a la magnitud del impulso transitorio

o No opera bajo condiciones normales del sistema de suministro eléctrico (baja corriente de fuga)

o Tiene un tiempo de respuesta rápido

o Puede derivar altos impulsos de corriente

o Es la mas utilizada por la industria en la protección eléctrica

o Buena relación Costo-Beneficio.

n Spark Gap : Descargadores vía de chispas

o Tecnología de conmutación de la tensión

o Empieza a derivar la corriente transitoria cuando se alcanza el voltaje de cebado

o Después de derivar la corriente transitoria circula por él la corriente de cortocircuito del punto de instalación (corriente de seguimiento) hasta que la autoextingue en el siguiente paso por cero de la onda de voltaje

o Muy bajo voltaje residual

o Tiempo de respuesta lento

o Deriva altos impulsos de corriente

Los DPS limitan una sobretensión transitoria a valores seguros relacionados con el Máximo Voltaje de Operación Continuo (MVOC) del supresor.

Varistores de Oxido Metálico (VOM)

A este componente se llama también VOM «Varistor de Oxido Metálico», (GEMOV los de la marca General Electric y SIOV los de Siemens) o, simplemente, resistencia variable, puesto que su comportamiento no es lineal.

Presentados, la mayor parte de las veces, en forma de pastilla cilíndrica, es un solido cerámico compuesto, al principio, de carburo de silicio (SiC) y ahora, de oxido de cinc (ZnO). El grosor de la pastilla determina su característica en tensión, y, su superficie, la energía que puede disipar.

Su ventaja principal es la razón entre la energía disipada y el coste, que la sitúa como un componente incontestable en la fabricación de limitadores de sobretensión.

La mayor dificultad está en su colocación, porque:

n una serie de descargas de poca energía provoca un calentamiento que acelera su envejecimiento,

n una energía mayor implica la destrucción del componente, porque se queda en cortocircuito,

n una energía mucho más fuerte provoca, normalmente, la explosión de la varistancia.

Actualmente, estos inconvenientes se han minimizado por el saber-hacer de los fabricantes de limitadores:

n un sistema de desconexión evita el embalamiento térmico y deja fuera del circuito el elemento defectuoso,

n asimismo, un revestimiento con una resina ignífuga sirve también para encerrar las grandes energías que hay que disipar...

Atenuación de la onda de sobretensión (VOM)

Descargadores Vía de Chispas (Spark Gap)

Puede ser al aire (como los antiguos explosores de cuernos situados en la redes aéreas de MT), o con envolvente aislante para el encaminamiento por la superficie de un dieléctrico, o con gas en el interior de un tubo estanco.

Tiene la ventaja de permitir transportar grandes energías y tener una capacidad parasita muy baja.

Sus inconvenientes se radican en:

n su elevada tensión de paso a conducción que depende de lo brusco del frente de la onda,

n su tiempo de respuesta largo que depende también de lo escarpado del frente de la onda,

n la existencia de una corriente de fuga (de difícil extinción),

n una posible deriva de su tensión umbral.

En el caso de los explosores al aire (BT en el interior), la tensión de cebado depende también de las condiciones atmosféricas (humedad y presión) y, por tanto, del lugar de utilización (humedad local y altitud): se pueden observar desviaciones de hasta el 40%.