SUPRESORES DE TRANSIENTES TVSS.

Por: I.E MARTN MERCADO GOMEZ SALES MANAGER LCS LUMINEX- LEGRAND

CONCEPTOS PRIMORDIALES: Los supresores de transientes TVSS (Transient Voltage Surge Supressors) o dispositivos de proteccin contra sobretensiones transitorias DPS (Device Protective Device) estn conceptualizados por las normas internacionales como equipos destinados a proteger las instalaciones elctricas contra aquellas sobretensiones generadas por fenmenos transitorios. Estos fenmenos inesperados traen consigo consecuencias dramticas para las instalaciones y cargas sensibles. Por esta razn, su importancia dentro del sistema de protecciones. Dispositivo de proteccin contra sobretensiones transitorias - DPS (Surge Protective Device) segn la norma NTC 4552 es un dispositivo destinado a limitar las sobretensiones transitorias, evacuando las corrientes asociadas a dicha sobretensin. OTROS CONCEPTOS Sobretensin transitoria (Surge): tensin anormal entre dos puntos del sistema, que es mayor que el valor mximo presentado entre los mismos dos puntos bajo condiciones de servicio normal. Sistema de proteccin interna - SPI: es el conjunto de decisiones y dispositivos encaminados a reducir las sobretensiones transitorias que se pueden presentar al interior de una instalacin. Rayo (Lightning): La Descarga Elctrica Atmosfrica o ms comnmente conocida como Rayo es un fenmeno fsico que se caracteriza por una transferencia de carga elctrica de una nube hacia la tierra, de la tierra hacia la nube, entre dos nubes, al interior de una nube o de la nube hacia la ionosfera. Nivel Cerunico - NC (Keraunic Level): nmero de das al ao en los cuales es odo por lo menos un trueno. Densidad de descargas a tierra - DDT: nmero de descargas individuales (Strokes) a tierra por kilmetro cuadrado/ao. Medida en rea de 9 km2 (3 km x 3 km). Permite cuantificar la incidencia de rayos en la zona. Despus de alinderar algunos conceptos primordiales es de vital importancia definir el concepto de un rgimen transitorio y sus orgenes: Los regmenes transitorios poseen dos causas:

1. Origen Externo 2. Origen Interno

Las sobretensiones de origen externo son ocasionadas por descargas elctricas tipo atmosfrico y dependen directamente de las descargas por kilmetro cuadrado ao asociadas con el nivel cerunico. Este parmetro enmarca a Colombia dentro de un caso muy especial de alta incidencia de rayos. Para evidenciar estos conceptos es preciso delimitar ciertos aspectos del fenmeno rayo segn la NTC 4552 as:

Los transitorios de origen interno estn asociados con las sobretensiones correlacionadas con maniobra y conmutacin. Prcticamente todas las conmutaciones en las redes industriales, y particularmente las de elevada potencia, producen sobretensiones. La apertura de circuitos de proteccin o de mando compuestos por contactores y rels, en aplicaciones de transferencia de redes, bancos de condensadores, puesta en marcha de motores de gran potencia, encendido de soldadores y balastros. Estas maniobras generan sobretensiones de tipo oscilatorio, de alta frecuencia y con tiempos de amortiguacin rpida. Estos transitorios pueden perturbar el funcionamiento de ciertas cargas sensibles como computadores. Los TVSS surgen y aparecen en el mercado como respuesta y solucin a este tipo de fenmenos, para lo cual es de vital importancia seleccionarlos adecuadamente y mucho ms si consideramos que en Colombia la actividad de rayos es bastante alta. Para la seleccin, establecimiento de caractersticas, pruebas y dems temas correlativos existen normas internacionales y algunas consideraciones en normas locales tales como: ANSI/IEEE C62.41 Recommended Practice on Surge Voltages in Low Voltage AC Power Circuits ASI/IEEE C 62.45 IEEE Guide of Surge Testing for Equipment Connected to Low Voltage AC Power Circuits ANSI/IEEE C62.33 Standard Test Specifications for Varistors Surge Protective Devices NTC 4552- Norma Tcnica Colombiana de Protecciones Externas RETIE- REGLAMENTO TECNICO DE INSTALACIONES ELECTRICAS.. UL1449 Segunda edicin Transient Voltage Surge Supresin Si nos sumergimos en el rgimen legislativo nuestro RETIE en materia elctrica, vale la pena destacar que los dispositivos de protecciones transitorias mayores y menores de 1000 Voltios, poseen posicin arancelaria controlada, por lo que estos productos deben demostrar el cumplimiento de los requisitos exigidos mediante un Certificado de Conformidad con el RETIE expedido por un ente de certificacin acreditado por la SIC o por el mecanismo que dicha entidad determine. Todo transformador, lnea area o cable subterrneo de media, alta o extra alta tensin, deben disponer de DPS. En los dems equipos de media, alta o extra alta tensin o en redes de baja tensin o uso final, la necesidad de DPS depender de una evaluacin tcnica objetiva del nivel de riesgo por sobretensiones transitorias a que pueda ser sometido dicho equipo o instalacin. Tal evaluacin tcnica, deber tener en cuenta entre otros factores, el uso de la instalacin, la coordinacin de aislamiento, la densidad de rayos a tierra, las condiciones topogrficas de la zona, las personas que podran someterse a una sobretensin y los equipos a proteger. Desde el punto de vista prctico la norma ANSI/IEEE C62.41 establece varios tpicos para la seleccin de un DPS:

1. CLASIFICACION 2. NIVEL DE EXPOSICIN 3. TENSIN Y CONEXIN 4. CLAMPING

5. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO DE LA INSTALACIN 6. OTROS

1. CLASIFICACION

La norma IEEE C62.41 determina 3 categoras de utilizacin de los supresores que depende del lugar donde sern instalados:

A. Como proteccin directa de las carga, (salidas de tomacorriente). B. Como proteccin de alimentadores de gran potencia y circuitos ramales cortos. (tableros

de distribucin) C. Como proteccin primaria en la cabecera de la instalacin contra sobretensiones externas.

Punto de entrada entre el transformador y el primer medio de desconexin. Por otra parte la normatividad establecer los charts que definen los valores pico que han de ser soportados por los DPS en una cantidad de 1000 eventos. Por ejemplo un supresor clase C3 rateado por la norma para 10 KA debe estar dimensionado para que soporte 1000 eventos de 10 KA; para lo cual los fabricantes desarrollan sus diseos y en muchos casos bajo modelamiento americano este termina siendo de 100 o 150 KA. Por otra parte este chart determina los tipos de onda modelados:

1. Tipo Combination wave 8/20 us en corriente y 1.2/50 us en tensin. 2. Tipo Ring wave 0.5 us/ en onda subamortiguada.

Siendo la tipo 1 la onda tipo rayo americanamente modelada para la seal tipo rayo.

2. NIVEL DE EXPOSICION El nivel de exposicin est asociado con el nivel de riesgo en cuanto a fenmeno rayo se refiere: Los mecanismos del rayo son muy complejos, pero podemos decir de manera simplificada que se trata de una descarga elctrica de gran energa provocada por una diferencia del potencial entre

nubes o entre nubes y suelo. Las corrientes de rayo alcanzan valores de 10 a 300 kA, con tiempos de aumento de unos pocos microsegundos. No todas las zonas geogrficas tienen el mismo riesgo. El riesgo local de tormenta viene determinado por el nivel cerunico. En la prctica, se usan mapas de densidad de cadas de rayos que son establecidos con observaciones de los ltimos cincuenta aos (red metereolgica) y cuantifican la cantidad de impactos por ao y por km2. (mapas isoceranicos- ver mapa isoceranico de Colombia). Cuando incide un rayo, su corriente produce una sobretensin impulsional que se propaga en un radio de varios kilmetros y su dispersin en la tierra eleva su potencial, induciendo fuertes sobretensiones en los cables subterrneos y aumentando la tensin en las tomas de tierra. Para evidenciar estos conceptos es preciso delimitar ciertos aspectos del fenmeno rayo segn la NTC 4552 as: El rayo es un fenmeno meteorolgico de origen natural, cuyos parmetros son variables espacial y temporalmente. La mayor incidencia de rayos en el mundo, se da en las tres zonas de mayor conveccin profunda: Amrica tropical, frica central y norte de Australia. Colombia, est situada en la Zona de Confluencia Intertropical. Los parmetros de las rayos utilizados para encontrar el nivel de riesgo son la Densidad de Descargas a Tierra - DDT, y la corriente pico absoluta promedio (I

abs) expresada en kiloamperios,

asignando una mayor relevancia a la primera de stas, debido a que existe mayor probabilidad de que una estructura se vea afectada dependiendo de la cantidad de descargas a la que est expuesta, que de la intensidad de las mismas. Los valores de I

abs y de DDT deben tener el 50 % de probabilidad de ocurrencia o menos, a partir de

datos multianuales. Adems se debe tomar un rea de 9 km2

(3 km x 3 km) o menos, teniendo en cuenta la exactitud en la localizacin (location accuracy) y la exactitud en la estimacin de la corriente pico de retorno (lightning peak current accuracy) del sistema de localizacin de rayos

1.

Al encontrar la densidad de descargas a tierra con sistemas de localizacin confiables, implcitamente se considera la orografa del rea, es decir, montaa, ladera, plano, etc. y la latitud.

El nivel de exposicin est ntimamente ligado con el nivel ceranico y la densidad de Descargas.

Densidad de Descargas a Tierra (DDT): La densidad es un parmetro complementario al NC (nivel ceranico), que permite cuantificar la incidencia de rayos en la zona. Se puede utilizar la siguiente ecuacin la cual presenta una mejor aproximacin a los datos medidos en Colombia, que es funcin del NC y tiene en cuenta la latitud : DDT = (0,1 + 0,35 Sen ) 0,6 NC Nivel cerunico de Colombia. Por muchas dcadas, el parmetro universalmente aceptado para caracterizar la actividad elctrica atmosfrica de una regin ha sido el Nivel Cerunico, definido como el nmero de das del ao en que por lo menos es odo un trueno. La distribucin espacio-temporal del NC a todo lo largo del territorio colombiano, mediante un estudio sistemtico de datos de varios aos se presenta en el Mapa de Niveles Cerunicos. Mientras una de las zonas ms tormentosas de Europa se encuentra en los Alpes, con Niveles Cerunicos promedios multianuales de 30, algunas zonas de Colombia presentan promedios superiores a 140. Para efectos prcticos, en la seccin de Publicaciones se encontraran algunos artculos en los cuales este parmetro se encuentra involucrado.

Rgimen ceranico colombiano - distribucin espacial. La distribucin del fenmeno de tormentas elctricas para las diversas regiones naturales del pas es: Regin del Caribe: El nivel ceranico para la Guajira alta es menor a 20 tormentas elctricas. Aumenta gradualmente hacia a Guajira baja. Un gradiente fuerte, mayor o igual a 120 tormentas elctricas se pueden detectar alrededor de los puntos ms altos de la Sierra Nevada de Santa Marta. Disminuye gradualmente a 40 tormentas elctricas hacia las partes ms bajas. En los llanos de Crdoba, Sucre, Bolvar, Magdalena y Cesar, el nivel cambia gradualmente de 80 tormentas elctricas a 20 tormentas elctricas a nivel del mar. Alrededor de Uraba as como la cordillera occidental y central, el nivel aumenta otra vez hasta 80 tormentas elctricas. Regin Andina. El valle de Aburra y Medelln registran el nivel ceranico ms alto del pas con un ncleo de 140 tormentas elctricas. Alrededor de los departamentos de Cauca y de Valle se pueden encontrar varios ncleos con valores desde 60 a ms de 100 tormentas elctricas, la parte ms baja se

encuentra en la cordillera central. El sureste del departamento de Nario, donde la cordillera de los Andes entra a Colombia, es una regin que se caracteriza por ser de bajo nivel, con un mximo de 10 tormentas elctricas. El Valle del Ro Magdalena presenta una regin de nivel alto que funciona a lo largo del ro con valores de 100 tormentas elctricas alrededor de del este Antioquia. En los llanos altos de Cundinamarca y Boyac, la actividad de tormentas elctricas alcanza un valor relativamente alto de 80 tormentas elctricas. En la regin vecina, una extensa regin de 40 tormentas elctricas se puede encontrar a lo largo de la cordillera oriental. Regin Pacfica. Varios grandes ncleos se pueden encontrar (60, 80, 100 y ms tormentas elctricas) a lo largo de la costa pacfica. Comparado con el extenso ncleo del departamento del Choco, la regin meridional (por el departamento de Nario) se coloca en un nivel inferior. El valor aumenta del lado costero al interior alcanzando 80 tormentas elctricas en el centro del departamento de Nario. Regin del Orinoco y del Amazonas. En los llanos orientales el nivel aumenta a partir de 40 tormentas elctricas en el pie de la cordillera oriental hasta 120 tormentas elctricas en el extremo colombiano oriental. En la frontera, sistemas progresivos de lengua vienen de Venezuela y entran a Colombia con un valor de 120 tormentas elctricas. Van hacia el centro donde finalmente alcanzan un valor de 60 tormentas elctricas. Grandes secciones del Amazonas registran valores de 40 a 60 tormentas elctricas.

3. TENSIN Y CONEXIN El nivel de tensin y el grupo de conexin son fundamentales y es evidente discernir si la instalacin es monofsica o trifsica y as mismo su nivel a 208V o 480 V , etc.. De la misma manera una vez se establece el nivel de tensin es esencial determinar si es conexin Y o Delta.

4. CLAMPING El camping o residual se define como tensin remanente del transitorio que el DPS desva a tierra. Cuando el supresor esta derivando la intensidad generada por una sobretensin, en sus extremos aparece una tensin debida a su propia impedancia. El supresor ideal debe derivar toda la corriente de descarga generada por la sobretensin y la tensin residual generada debe ser menor que la soportada por el equipo a proteger. Los laboratorios UL en su publicacin UL 1449 define diferentes niveles de tensiones residual que el bajo condiciones normales de utilizacin, el supresor deja pasar a la instalacin (sobretensiones remanentes). Entre ms bajo el nivel de tensin residual de un supresor, ser mejor. Sin embargo, cuanto mayor sea la corriente mxima de descarga del supresor, mas alto ser el valor de la tensin residual (Clamping).

Conseguir un alto poder de descarga y un bajo valor de tensin residual en un mismo supresor es difcil, por lo que la utilizacin de un nico TVSS no asegura la proteccin de toda la instalacin donde existan equipos sensibles. Para ello se recomienda colocar 2 o ms supresores de forma coordinada: dentro del concepto de coordinacin de protecciones finas.

5. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO DE LA INSTALACION Los DPS se instalan normalmente en paralelo antes del primer medio de desconexin y esta conexin se realiza inmediatamente aguas arriba de la proteccin magnetotrmica. Dentro del proceso de filiacin y selectividad en la coordinacin de protecciones debe existir perfecta correlacin entre las protecciones finas (DPS) y las protecciones magnetotrmicas; para lo cual es de vital importancia considerar la capacidad interruptiva de estos. Se espera que una instalacin elctrica desde nivel de riesgo bajo hasta nivel de riesgo alto posea SPI (sistema de protecciones internas); el cual incluye intrnsecamente los DPS . Se espera que un DPS clase B desvie el transiente por maniobra y pueda manejar el clamping despus de 2500 us por la proteccin instalada inmediatamente aguas abajo. En cualquier condicin siempre se debe instalar una proteccin magnetotrmica aguas abajo del DPS o TVSS.

6. OTROS Existen otra serie de caractersticas que deben cumplir los DPS y que son mandatorios dentro de lo que es la seleccin y la especificacin de estos dispositivos: Tiempo de respuesta inferior a 15ns La energa en joules asociada con la forma de onda y el valor pico de la onda. Los 10 modos de proteccin (tres fases con neutro, tres fases con tierra, neutro tierra y fases entres s). Modularidad en todos los modos de proteccin. (clase C). Listado UL 1449 que avala el cumplimiento de la norma ANSI/IEEE C62.41 Los supresores o TVSS limitan o filtran la potencia inducida por estas ondas de tensin a travs

de un sistema de varistores (Metal oxide Varistor MOV) que absorben los impulsos de energa de la sobre tensin. Los varistores son elementos de resistencia variable (o de comportamiento no lineal), gracias a los cuales, los supresores se comportan como un cortocircuito, ante una sobre tensin de gran magnitud (que supere su valor de tensin ajustado: Umbral de disparo), derivando esa energa a tierra y evitando que pase por los equipos sensibles. Despus de varios impactos, la varistancia envejece y debe reemplazarse; para lo cual las especificaciones de tensin de lo s MOVs resultan bastante importantes..

Corriente mxima de descarga: Es el valor de la corriente en kA, que puede pasar por el supresor al menos una vez.

Corriente nominal de descarga: Es la corriente de descarga (en kA) que el supresor debe soportar como mnimo 20 impactos sin deteriorarse.

Referencias. ANSI/IEEE C62.41 Recommended Practice on Surge Voltages in Low Voltage AC Power Circuits ASI/IEEE C 62.45 IEEE Guide of Surge Testing for Equipment Connected to Low Voltage AC Power Circuits

ANSI/IEEE C62.33 Standard Test Specifications for Varistors Surge Protective Devices Horacio Torres- Elaboration and Application Of a Lightning Risk Map- CIGRE INTERNATIONAL CONFERENCE Septiembre de 1998 NTC 4552- Norma Tcnica Colombiana de Protecciones Externas RETIE- REGLAMENTO TECNICO DE INSTALACIONES ELECTRICAS..