Limitadores de sobretensiones...

Limitadores de Limitadores de sobretensiones transitoriassobretensiones transitorias

• Origen de las sobretensiones• Modos de propagación• Consecuencias • Limitadores de sobretensiones. Tecnología• ¿Qué limitador instalar?• ¿Cómo instalar los limitadores?• Continuidad de servicio• Gama de limitadores de sobretensiones

• Desarrollo de una nube tormentosa• Desarrollo de una nube tormentosa

Formación de tormentas

el fenómeno se desencadena al elevarse aire caliente desde el suelo. La masa de aire se carga de humedad produciendo una nube tormentosa.

Sobretensiones de origen atmosférico

• Desarrollo de una nube tormentosa• Desarrollo de una nube tormentosa•• Desarrollo de una nube tormentosaDesarrollo de una nube tormentosa


• Fenómeno de electrificación• Fenómeno de electrificación la violencia de las corrientes de aire ascendentes y descendentes separan las gotas de agua que se transforman en cristal de hielo colisionando entre ellas, creando cargas eléctricas positivas y negativas




• Fenómeno de electrificación• Fenómeno de electrificación

• Fenómeno de la fase activa• Fenómeno de la fase activa

las cargas de signo contrario se separan, las positivas se sitúan en la parte superior de la nube mientras que las negativas lo hacen en la inferior. Las primeras chispas entre nubes comienzan a aparecer.

•• Fenómeno de electrificaciónFenómeno de electrificación






• Maduración de la fase activa• Maduración de la fase activa

la nube forma un enorme condensador con el suelo y comienzan a producirse lluvias y relámpagos entre nube y suelo en la primera media hora desde que aparecieron las primeras chispas.


•• Fenómeno de la fase activaFenómeno de la fase activa






• Maduración de la fase activa• Maduración de la fase activa

• Fin de la fase activa• Fin de la fase activa

la actividad en la nube disminuye mientras que los rayos hacia el suelo aumentan, apareciendo fuerte precipitaciones, granizo y fuertes ráfagas de viento.


•• Fenómeno de la fase activaFenómeno de la fase activa

•• Maduración de la fase activaMaduración de la fase activa


• Rayo negativo descendente• Rayo negativo descendente

Clasificación de los rayos

es el más frecuente en terreno llano siendo un 90% de los existentes en climas templados.


• Rayo positivo ascendente• Rayo positivo ascendente

• Rayo negativo descendente• Rayo negativo descendente•• Rayo negativo descendenteRayo negativo descendente


es el más peligroso y aparece en presencia de una prominencia importante o montaña


• Rayo negativo ascendente• Rayo negativo ascendente



•• Rayo positivo ascendenteRayo positivo ascendente

•• Rayo negativo descendenteRayo negativo descendente



es frecuente en terreno llano

• Rayo positivo descendente• Rayo positivo descendente

• Rayo negativo ascendente• Rayo negativo ascendente



•• Rayo negativo ascendenteRayo negativo ascendente

•• Rayo positivo ascendenteRayo positivo ascendente

•• Rayo negativo descendenteRayo negativo descendente


es peligroso y aparece en presencia de una prominencia importante o montaña


Principio de una descarga


el rayo comienza por un trazo que se desarrolla a partir de una nube y progresa bandeando sucesivamente de 30 a 50 m del suelo, el trazo está compuesto por partículas eléctricas, arrancadas de la nube por el campo eléctrico, creado entre éste y el suelo.




se crea un canal ionizado que se va ramificando, llegando a 300 m del suelo.





aparece en este momento un arco eléctrico muy luminoso que provoca el trueno y permite el intercambio de carga del condensador nube-suelo.






el rayo principal parte desde el suelo hasta la nube con una velocidad de propagación cercana a 1/3 de la de la luz.Este arco de retorno se caracteriza por ser un impulso de duración total cercana a los 100 µs y un frente creciente de 1 a 15 µs.






el rayo principal parte desde el suelo hasta la nube con una velocidad de propagación cercana a 1/3 de la de la luz.Este arco de retorno se caracteriza por ser un impulso de duración total cercana a los 100 µs y un frente creciente de 1 a 15 µs.

una sucesión de arcos aparecen, llamados arcos subsiguientes de menos en menos intensidad, entre los cuales subsiste un trazo continuo haciendo circular una corriente del orden de 200 A. Sin embargo, estos arcos poseen una variación de intensidad muy fuerte

(di/dt).

Datos significativosSobretensiones de origen atmosférico

• Del 28 de enero 1992 - 31 de enero de 1995: 1.615.217 rayos– 538.405 rayos por año de media– 1.503.723 : rayos negativos– 111.494 : rayos positivos

• Intensidad media de rayos negativos: 33 kA• Intensidad media de rayos positivos: 71 kA• intensidad media por zonas geográficas:

MarítimaLitoral

Mesetania

negativo31 kA

23 kA 54 kA47 kA

53 - 61 kApositivo

Montañosa 57 kA

Rayos positivos los más peligrosos

U

P1 P2

Sobretensiones inducidas

Sobretensiones de origen atmosféricoTIPO DE SOBRETENSIONES (algunos MHz. 1 ÷ 100 µs)

Un rayo indirecto sobre cualquier lugar(poste,árbol,etc.),es equivalente a una antena de gran longitud que emite un campo electromagnético. Se propaga desde unos centenares de metros hasta algunos kilómetros.

U

P1

Sobretensiones conducidas


Debidas a la caída del rayo sobre una línea aérea (eléctrica o telefónica).Estos impulsos de corriente generada se propagan hasta el edificio derivándose a tierra a través de los receptores produciéndoles averías.

P1BT

N

P1

Sobretensiones debidas al aumento del potencial de tierra


Cuando el rayo cae a tierra o a una estructura conectada a tierra(pararrayos) se crea una perturbación electromagnética y una subida del potencial de tierra.

Sobretensiones por maniobras en la redCausadas por conmutaciones y bruscas variaciones de carga originando ondas de alta frecuencia (100 kHz a 1MHz. 0.05 ÷ 10 ms)- Conmutación de corrientes inductivas

- Conmutación de corrientes capacitativos

- Interrupción de una gran corriente con un órgano de corte

Consecuencia: se producen impulsos de gran amplitud y tiempo de subida cortoEjemplos: Interruptor de mando de un motor eléctrico, un transformador BT/BT, un contactor o un simple relé.

Consecuencia: sobretensiones de origen oscilatorio

Ejemplos: Interruptor de mando de un motor eléctrico, un transformador BT/BT, un contactor o un simple relé.

Causa: cuando se establecen o interrumpen circuitos inductivos

Causa: maniobras en redes eléctricas con elementos capacitativos

Otras sobretensiones importantes

- SOBRETENSION POR DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS (ESD)

- SOBRETENSIÓN ELECTROMAGNÉTICA NUCLEAR (NEMP)

Consecuencia: su descarga produce un impulso de corriente que puede provocar perforaciones en componentes

Causa: cuando una persona se carga electrostáticamente (puede alcanzar varias decenas de kV), por frotamiento y se descarga

Sobretensiones muy poco probables

• Origen de las sobretensiones• Modos de propagación • Consecuencias• Limitadores de sobretensiones. Tecnología• ¿Qué limitador instalar?• ¿Cómo instalar los limitadores?• Continuidad de servicio• Gama de limitadores de sobretensiones

Modos de propagaciónSobretensión en modo común: aparece entre las partes activas y la tierra: fase/tierra o neutro/tierra.

UMC

N

L

Peligrosas para aparatos donde la masa está conectada a la tierra en razón de riesgos de ruptura de rigidez dieléctrica de los materiales.

Mal funcionamiento de los aparatos

Modos de propagación

Sobretensión en modo diferencial: sobretensión aparece entre dos conductores activos: fase/fase o fase/neutro

I ida

I vueltaUMD

N

L

Posible destrucción de materiales

Sobreintensidades

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Consecuencias de las sobretensiones atmosféricas

•Acoplamiento del campo al cable. Tensiones inducidas

Campo electromagnético creado por el rayo se acopla a todos los cables que encuentra

Generación de sobretensiones de modo común o diferencial que se propagan por conducción

•Acoplamiento del cable-cable•Acoplamiento inductivo•Acoplamiento capacitativo• Inducción en los bucles de masas

•Subida del potencial de tierra

Consecuencias de las sobretensiones

•DETERIORO Y DESTRUCCIÓN de los componentes

Depende de:- Tiempo de ascenso(Tm): rapidez con la que crece la onda.

- amplitud: valor máximo que alcanza la perturbación

- Tiempo de descenso (Td): nos da idea de la duración del pulso

•MAL FUNCIONAMIENTO de los equipos

•ENVEJECIMIENTO prematuro de los componentes- Provocado por sucesivas sobretensiones no destructivas

• Origen de las sobretensiones• Modos de propagación• Consecuencias• Limitadores de sobretensiones. Tecnología• ¿Qué limitador instalar?• ¿Cómo instalar los limitadores?• Continuidad de servicio• Gama de limitadores de sobretensiones

Dispositivos de protección contra sobretensiones

- Protecciones primarias: Captan los rayos, los derivan a tierra y los dispersan en el suelo.

• pararrayos (cables de guarda de líneas aéreas de AT, puntas Franklin) • terminales aéreos, estructuras metálicas, caja mallada de Faraday, etc..

- Protecciones secundarias: Se encargan de los efectos indirectos del rayo y de las sobretensiones de maniobra.

• protección serie: filtros y transformadores

• protección paralela: Limitadores de sobretensión

Limitadores de sobretensión

NF

receptores

U aguas arriba

U cebado

U residual

U aguas abajo

Principio de funcionamiento

Ucebado

Tensión de líneaResistencia del limitador

V

t

Ω

V

1. La tensión aguas arriba Ua es menor que la tensión de cebado (Uc) del limitador de sobretensiones. La resistencia del limitador es muy elevada (aprox. 1 MΩ).

1. La tensión aguas arriba Ua es menor que la tensión de cebado (Uc) del limitador de sobretensiones. La resistencia del limitador es muy elevada (aprox. 1 MΩ).

sobretensión

R elevada

R baja


NF

receptores

U aguas arriba

U cebado

U residual

U aguas abajo


Ucebado


V

t

Ω

V

1. La tensión aguas arriba 1. La tensión aguas arriba Ua Ua es menor que la es menor que la tensión de cebado (tensión de cebado (UcUc) ) del limitador de del limitador de sobretensiones. La sobretensiones. La resistencia del limitador resistencia del limitador es muy elevada (aprox. 1 es muy elevada (aprox. 1 MMΩΩ).).

2. Al aparecer una 2. Al aparecer una sobretensión sobretensión atmosférica, atmosférica, la tensión la tensión Ua Ua aumenta y aumenta y se hace superior a la de se hace superior a la de cebado. La resistencia se cebado. La resistencia se vuelve muy débil y la vuelve muy débil y la intensidad circula por el intensidad circula por el limitador.limitador.

sobretensión

R elevada

R baja


NF

receptores

U aguas arriba

U cebado

U residual

U aguas abajo


Ucebado


V

t

Ω

V

1. La tensión aguas arriba Ua es menor que la tensión de cebado (Uc) del limitador de sobretensiones. La resistencia del limitador

1. La tensión aguas arriba Ua es menor que la tensión de cebado (Uc) del limitador de sobretensiones. La resistencia del limitador es muy elevada (aprox. 1 es muy elevada (aprox. 1 MMΩΩ).).

2. Al aparecer una sobretensión atmosférica, la tensión Ua aumenta y se hace superior a la de cebado. La resistencia se vuelve muy débil y la

2. Al aparecer una sobretensión atmosférica, la tensión Ua aumenta y se hace superior a la de cebado. La resistencia se vuelve muy débil y la intensidad circula por el intensidad circula por el limitador.limitador.

3. La tensión disminuye y se vuelve inferior a la de cebado, que se convierte en tensión residual (Up). Ésta es la tensión a la que está sometido el receptor.

3. La tensión disminuye y se vuelve inferior a la de cebado, que se convierte en tensión residual (Up). Ésta es la tensión a la que está sometido el receptor.

sobretensión

R elevada

R baja

Limitador de sobretensiones

tiempo (t)

tensión (V)

∆V

Tr

∆V : sobretensión dada a régimen dinámico∆V/∆t : velocidad de subida de la tensión de perturbaciónTr: tiempo de respuesta de la protección∆V = ∆V/∆t * Tr

• tiempo que tarda una protección en reaccionar en el momento que aparece una sobretensión.• tiempo de respuesta débil: limitación a sobretensiones débiles.• tiempo de respuesta largo: ineficiente si los componentes a proteger son muy sensibles o tiene un tiempo de reacción a sobretensiones corto.

Tiempo de respuesta (Tr)

FN

V

Característica principal:- Resistencia infinita en condiciones normales de tensión- Resistencia 0 al producirse un sobretensión

U

Ω

Tecnología de los limitadoresTecnología de los limitadores

Tecnología: Varistor (óxido de zinc)

R alta

• Up: nivel de protección• In: Intensidad nominal• Imáx: intensidad máxima

Tecnología de los limitadoresTecnología de los limitadoresTecnología: característica del Varistor

kAIn Imáx

Up

(V)

I II III IV

- Región I: resistencia elevada y funcionamiento normal del varistor

- Región II: el varistor se sitúa en esta zona en caso de sobretensiones temporales moderadas.

Región III: zona de sobretensiones de maniobra o atmosféricas moderadas.

Región IV: zona de saturación. Zona de sobretensiones de rayo.

Tecnología de los limitadoresTecnología de los limitadoresTecnología: funcionamiento del varistor

Sobretensión

Tiempo (µs)

U (V)

Varistor

- Tiempo de reacción muy rápido (10-9 s)

- varistor limita la sobretensión a una tensión residual que será función del varistor

- ¡Cuidado!: si el varistor recibe una sobretensión > a lo que puede aguantar:- primero funciona bien- a continuación se produce el cortocircuito interno al varistor


Tecnología: Descargador de gas

FN

DG

Sobretensión Ionización del gas Derivación a tierra

i

uCebado

Efluvio

Arco

Extinción


Tecnología: Descargador de gas

Sobretensión

Cebado

Extinción

EfluvioArco

Tiempo (µs)

U (V)Respuesta a un impulso:

Tecnología de los limitadoresTecnología de los limitadoresComparativa

Varistor

Descargador de gas

DESVENTAJASVENTAJAS• Tensión residual pequeña • Corriente de fuga despreciable

pero que aumenta con un impulso de tensión• Calentamiento de los componentes a la larga

• Fuerte poder de disipación de energía• Corriente de fuga despreciable

• Tiempo de respuesta lento

• Coordinación de tecnologíasTecnología de los limitadoresTecnología de los limitadores

Obtener el máximo beneficio de cada componente

• Origen de las sobretensiones• Consecuencias • Limitadores de sobretensiones. Tecnología• ¿Qué limitador instalar?• ¿Cómo instalar los limitadores?• Continuidad de servicio• Gama de limitadores de sobretensiones

¿Qué limitador instalar?¿Qué limitador instalar?Aspectos a considerar

• Probabilidad de caída de rayos. Depende de la zona geográfica(mapa de densidad de caída de rayos)

• Tipo de red: - de distribución de energía- red telefónica

• Presencia o no de pararrayos• coste y sensibilidad de los materiales a proteger• coste de la inoperatividad del equipo

¿Qué limitador instalar?¿Qué limitador instalar?

Nivel de protección: UpNivel de protección: Up

El nivel de protección no debe ser nunca menor que la tensión impulsional máxima que son capaces de aguantar las cargas que se desean proteger.

Máquinas con electrónica

1,5 kV 2,5 kV 4 kV 6 kV

Aparato electrodoméstico

Aparato industrial

Contador eléctrico

Ordenadorespersonales,Modems Domótica

1 kV

Informática profesionalEquipos médicos

0,5 kV

¿Cómo instalar los limitadores?¿Cómo instalar los limitadores?Instalación en los cuadrosInstalación en los cuadros

Reglas de cableadoReglas de cableado

Regla 1: no sobrepasar 50 cm para la conexión del limitador y el interruptor automático

Regla 2: salidas de los conductores protegidos se deben de tomar en los bornes del limitador y del interruptor de desconexión

Regla 3: cables de llegada fase, neutro y tierra se han de juntar para reducir superficie del bucle

Regla 4: Separar los cables de llegada al limitador de los de salida

¿Cómo instalar los limitadores?¿Cómo instalar los limitadores?Instalación en los cuadrosInstalación en los cuadros

CARGA

L1

L2

L3

U1

Up

U3

Ucarga = U1 + Up + U3• U1 = L1 di/dt• Up : característica del limitador de sobretensiones• U3 = L3 di/dt

di/dt: valor muy elevado para sobretensiones de origen atmosférico

Lo más cortas posiblesLo más cortas posibles

L1 + L2 + L3 < 50 cm

¿Cómo instalar los limitadores?¿Cómo instalar los limitadores?

•• Regla de los 10 m: Regla de los 10 m: Para evitar que P2 actúe antes que P1 debe existir una distancia mínima entre ellos

Ejemplo:P1: tensión de cebado 2,5 kVP2: tensión de cebado 1,5 kVtensión inductiva : 50 V/m

P1 : Imáx1, In1, Up1

P2 : Imáx2, In2, Up2

Imáx1 > Imáx2Up1 > Up2

50 * L1 + 50 * L2 + Up2 > Up1

si L1 = L2; L1 > (2,5 - 1,5) * 103 / 200

L1 > 10 mL1 > 10 m

P1 P2

U1

U2

U3L1=L2

Coordinación de limitadoresCoordinación de limitadoresAAsegurar un valor elevado de evacuación de corriente (Imáx

elevado) y un valor de tensión residual bajo (Up pequeña)

¿Cómo instalar los limitadores?¿Cómo instalar los limitadores?

• Regla de los 30 m: PPara evitar aumento en la tensión residual soportado por los receptores• Regla de los 30 m:

Receptor

d ≥ 30m

P1

P1

Receptor

P2

Si la distancia entre el limitador P1 y el receptor es superior a 30 m, se deberá instalar otro limitador en paralelo

Coordinación de limitadoresCoordinación de limitadores

Continuidad de servicioContinuidad de servicioLimitadores de sobretensión y protección diferencialLimitadores de sobretensión y protección diferencial

limitador

Receptores

ID “si” s

SobretensiónGeneración de corrientes de fuga a través de las capacidades de la instalación

Disparos intempestivos en los diferenciales

Continuidad de servicioContinuidad de servicio

• ¿Qué le ocurre a un varistor cuando sobrepasa su intensidad máxima?

• Se cortocircuita el varistor

15 kA

55 kA

15 kA

Destrucción del limitador por sobretensión muy altaDestrucción del limitador por sobretensión muy alta

Necesidad de dispositivo de desconexión


• ¿Qué interruptor magnetotérmico se debe colocar?

ImáxImáx CurvaCurva CalibreCalibre8 a 40 kA

65 kA

C

C

20 A

50 A

Sistema de desconexiónSistema de desconexión


• ¿Qué es el envejecimiento de un limitador?

• Debido a muchas sobretensiones de valor menor a la intensidad máxima• Desconexión térmica• Fusible interno y señalización

Desconexión térmica

Señalización visual

Señalización a distancia

Protección contra el envejecimientoProtección contra el envejecimiento

Limitadores PRDLimitadores PRD

Cartuchos desenchufables

Señalización del estado del PRD- blanco: buen estado- rojo: necesidad de cambio

Señalización de fin de vidaAuxiliares de

señalización a distancia

Contacto seco de señalización a distancia de fin de vida

Limitadores PRDLimitadores PRDCaracterísticasCaracterísticas

Mantenimiento: Cambio de cartuchode una fase o neutro sin necesidad de descablear.

Optimización: de la protección al utilización de manera combinada de varistores y descargadores de gas permite obtener una Ures pequeña pero con un fuerte poder de disipación y corrientede fuga despreciable

Máxima protección: se realiza una protecciónante una sobretensión en modo común y en modo diferencial

1P 1P+N 3P 3P+N

L/N L1 L2 L3N L L1 L2 L3N

Configuración interna de los limitadores PRDConfiguración interna de los limitadores PRDLimitadores PRD

Limitadores PRDEjemplos de conexión TT monofásica para redes de BT

Cuadro eléctrico

ReceptorL1N

PRD (1P+N)

Interruptor auto.magnetotérmico

Toma tierra delneutro

Toma de tierra de masas

Interruptor diferencial

LN

Limitadores PRDEjemplos de conexión TT trifásica para redes de BT

ReceptorL1L2L3

PRD (3P)

Interruptor auto.magnetotérmico

PEN

Toma tierra delneutro

Cuadro eléctrico

Toma de tierra de masas

Interruptor diferencia300 o 500 mA S o retardadol

Interruptor diferencial“si” 30 mAInterruptor automático magnetotérmico

Limitador PRD

Limitadores PRDEjemplo de instalación en un cuadro

D1 + d2 + d3<50 cm

Limitadores PRC/PRIProtegen redes telefónicas analógicas y digitales, automatismos entre 12 y 48 V y redes informáticas o de datos a 6V

PRC

paralelo

PRC

serieEM

PRI

12-48 v

PRI

6 v RM

Up=700 V

Imax=10 kA

Up=300 V

Imax=10 kA

BP=3 Mhz

Up=70 V

Imax=10 kA

BP=6 Mhz

Up=15 V

Imax=10 kA

BP=90 Mhz

Telefonía Analógico Numérico

Automatismoinformático

Limitadores PRC paraleloProtección de redes telefónicas

Montage en paralelo:- Tensión nominal: 200 V CA- Tensión máx .de la señal: 220 V CA- Nivel de protección(Up): 300 V- Compatible con auxiliar EM/RM- Conforme a la norma EN 60950

Red telefónica

Limitadores PRC serie

Red telefónica

Protección de redes telefónicas

Montage en serie:- Tensión nominal: 200 V CA- Tensión máx .de la señal: 220 V CA- Nivel de protección(Up): 700 V- Compatible con auxiliar EM/RM- Conforme a la norma EN 60950

Limitadores PRI 12/24/48 V

Redes telefónicas digitales y automatismos,12…48 V

Montage en serie- Tensión nominal: 12/24/48 V- Tensión máx .de la señal: 14/27/53 V - Nivel de protección(Up): 70 V- Compatible con auxiliar EM/RM- Conforme a la norma EN 60950

Alimentación12..48 V

Limitadores PRI 6 VRedes informáticas o de datos, 6 V

Montage en serie- Tensión nominal: 6 V- Tensión máx .de la señal: 7 V - Nivel de protección(Up): 15 V- Compatible con auxiliar EM/RM- Conforme a la norma EN 60950

Alimentación6V

Auxiliares de señalización EM/RM

Compuestos de 2 bloques ópticos, un emisor y un receptor

Función: Señalizar a distancia la situación de reserva o la desconexión del limitador medianteun visor rojo o verde en el frontal.

El EM se monta la izquierda y el RM a la derecha del limitador

AlimentaciónEM/RM230 V-50hz

15 módulos maxi270 mm

6 V CC o250 V-50Hz

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