Tesis Supresion de Picos
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Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE – 0502 Proyecto Eléctrico Diseño de protección contra voltajes/corrientes transitorios en instalaciones eléctricas de baja tensión (600 V). Por: SEBASTIÁN RAMÍREZ SOLANO Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Noviembre del 2012
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sistemas de proteccion atmosferica interna
Transcript of Tesis Supresion de Picos
Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Diseño de protección contra voltajes/corrientes
transitorios en instalaciones eléctricas de baja
tensión (600 V).
Por:
SEBASTIÁN RAMÍREZ SOLANO
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Noviembre del 2012
ii
Diseño de protección contra voltajes/corrientes
transitorios en instalaciones eléctricas de baja
tensión (600 V).
Por:
SEBASTIÁN RAMÍREZ SOLANO
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Marvin Bustillo Piedra
Profesor Guía
_________________________________ _________________________________
MSc. Rodolfo Espinoza Valverde Ing. Juán José Montero Echandi
Profesor lector Profesor lector
iii
DEDICATORIA
La totalidad de este documento está dedicado a mis padres, seres
vivos excepcionales y ejemplares, de quienes he aprendido, aprendo
y seguiré aprendiendo, fuentes incondicionales de apoyo y grandes
amigos, sin duda alguna, sin toda su ayuda, no estaría escribiendo
hoy esta dedicatoria.
También va dedicado a mis grandes amigos de todos los días, mi
hermano Ale y mi hermanito Rocky!.
A aquellos a quienes comencé conociendo como compañeros, pero
terminé conociendo como grandes amigos, a ellos también va parte
de esto.
Y por supuesto, a todas aquellas fuentes inagotables de inspiración
que me han dado todas las razones para siempre seguir adelante,
todo esto va dedicado a ustedes.
iv
RECONOCIMIENTOS
A don Marvin Bustillo por su muy indiscutible compromiso y seguimiento, por sus valiosos
consejos y por toda su indispensable colaboración para llevar a buena conclusión este
trabajo.
A don Rodolfo Espinoza, por todos los cursos en los cuales compartió su muy valioso
conocimiento, por sus consejos y por supuesto, por toda su ayuda a lo largo de este
proyecto.
Al Profe Juan José, matriculando el Proyecto de usted empezó este trabajo, además, por su
atención, compañerismo y disponibilidad.
A don Jorge Romero, por su comprensión, por haberme colaborado tanto sin siquiera
conocerme.
A don David Castro y a don Jefferson Ilama de Eaton, por su muy rápida respuesta y ayuda
desinteresada.
A Mr. Rick Syverson, por compartir su amplio dominio en la ciencia, aplicación y
legislación de los SPD, fundamental para poder llevar este trabajo a buen desenlace.
v
ÍNDICE GENERAL
1. CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ....................................................... 1
1.1 Objetivos ................................................................................................. 4
1.1.1 Objetivo general .......................................................................................................... 4
1.1.2 Objetivos específicos ............................................................................................................. 4
1.2 Metodología ............................................................................................ 6
2 CAPÍTULO 2: ANÁLISIS DE FENÓMENOS TRANSITORIOS
HABITUALES SEGÚN IEEE C-62.41 1 &2 ................................................ 8
2.1 Los orígenes principales de fenómenos transitorios de voltaje y
corriente ............................................................................................................ 9
2.2 Propagación, dispersión y mitigación inherente a surges ................ 25
2.3 Definición de las formas de onda surge estándar de prueba ........... 30
2.4 Glosario de términos ............................................................................ 40
3. CAPÍTULO 3: FUNDAMENTOS FÍSICOS .................................... 51
3.1 Consideraciones de Impedancia ......................................................... 53
vi
3.2 Perturbaciones en el nivel de voltaje del Proveedor de Servicios
Eléctricos ......................................................................................................... 67
3.3 Interacciones entre componentes del sistema eléctrico, y entre éste
con el entorno .................................................................................................. 68
3.4 Medios correctivos ............................................................................... 82
3.5 Surges de voltaje .................................................................................. 82
4. CAPÍTULO 4: DISPOSITIVOS PROTECTORES DE SURGE ... 92
4.1 ¿Qué es un SPD? .................................................................................. 92
4.2 Línea de tiempo de los SPD ................................................................. 99
4.3 Resumen panorámico de la 3˚ Edición de UL1449 ......................... 100
4.4 Parámetros Eléctricos de Manufactura de SPD's .......................... 104
5. CAPÍTULO 5: ESPECIFICACIÓN DE PROTECCIÓN
INTEGRADA EN LOCALIZACIONES CLASE A, B & C CONTRA
TRANSITORIOS ELÉCTRICOS (HASTA 1000 V) .............................. 113
5.1 Esquema de protección integrado contra transitorios Surge ........ 113
5.2 Especificación de un SPD .................................................................. 116
5.3 Información adicionales relevantes para la selección de SPD’s .... 120
vii
5.4 Análisis de costos de protecciones integradas SPD ........................ 122
5.4 Dispositivos para protección contra sags ......................................... 123
6. CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .... 127
6.1 Conclusiones ....................................................................................... 127
6.2 Recomendaciones ............................................................................... 129
BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 133
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Interacciones con descargas atmosféricas ........................................................... 11
Figura 2.2 Mapa Ceraúnico de Costa Rica del 2011 ............................................................ 14
Figura 2.3 Efectos eléctricos del acoplamiento directo e indirecto de transitorios originados
por rayos ............................................................................................................................... 15
Figura 2.4 Carga RLC serie en conmutación ........................................................................ 17
Figura 2.5 Transitorios habitual por conmutación ................................................................ 17
Figura 2.6 Edificación provista de servicios de telecomunicaciones y energización ........... 23
Figura 2.7 División por categorías de una edificación para análisis de fenómenos
transitorios ............................................................................................................................ 27
Figura 2.8 Pendiente negativa de corriente y escalón de voltaje en función de la distribución
de categorías ......................................................................................................................... 28
Figura 2.9 Caminos posibles de descarga a tierra de sobrecorrientes transitorias ................ 29
Figura 2.10 Forma de onda de la 100 kHz Ring Wave (voltaje o corriente) ........................ 31
Figura 2.11 Forma de onda Combination Wave 1.2/50µs de circuito abierto ...................... 32
Figura 2.12 Forma de onda Combination Wave 8/20µs de cortocircuito ............................. 33
Figura 2.13 Máximos esperados de la 100 kHz Ring Wave en localizaciones A & B.
Aplican para distribuciones monofásicas y trifásicas voltajes L-L, L-N- L-T ..................... 33
Figura 2.14 Forma de onda de dos periodos de una onda ráfaga EFT ................................. 37
Figura 2.15 Forma de onda de un impulso específico de una ráfaga EFT ........................... 37
Figura 2.16 Forma de onda de una 10/1000µs Long Wave de corriente .............................. 40
ix
Figura 2.17 Transitorio notch en una forma de onda senoidal ............................................. 45
Figura 2.18 Onda senoidal afectada por una perturbación sag ............................................. 47
Figura 2.19 Onda senoidal afectada por una perturbación swell .......................................... 48
Figura 3.1 Ráfaga EFT producida por conmutación de equipo electromecánico ................. 59
Figura 3.2 Impedancia de distribución de un circuito ramal típico de AC respecto a la
frecuencia (sin carga conectada). ........................................................................................ 60
Figura 3.3 Respuesta en frecuencia de la impedancia de una resistencia ............................. 62
Figura 3.4 Respuesta en frecuencia de la impedancia de una autoinductancia .................... 62
Figura 3.5 Respuesta en frecuencia de la impedancia de una capacitancia .......................... 63
Figura 3.6 Respuesta en frecuencia de la impedancia de varias cargas, con énfasis en
resonancia ............................................................................................................................. 65
Figura 3.7 Respuesta en frecuencia de la admitancia de varias cargas, con énfasis en la
frecuencia de resonancia ....................................................................................................... 66
Figura 3.8 Efecto de una interrupción en una onda de voltaje de alimentación ................... 84
Figura 3.9 Efecto de una interrupción en una onda de corriente de alimentación ................ 84
Figura 3.10 Espectro en frecuencia de 5 ondas surge comunes ............................................ 91
Figura 4.1 Acción limitadora de voltajes transitorios de un SPD ......................................... 93
Figura 4.2 Acción desviadora de transitorios de un SPD ..................................................... 94
Figura 4.3 Analogía del molino de agua con un SPD ........................................................... 94
Figura 4.4 Cascada de SPD ................................................................................................... 95
x
Figura 4.5 Componentes para SPD y sus características de descarga .................................. 97
Figura 4.6 Distribución de los tipos de SPD según la 3ra edición de UL1449 .................. 102
Figura 4.7 Comparación de características de 4 SPD distintos .......................................... 104
Figura 4.8 Comparación de características de 4 SPD distintos .......................................... 106
Figura 5.1 Diagramas de distribución de voltajes habituales ............................................. 120
xi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Métodos y efectos de acoplamiento de transitorios por rayos .............................. 13
Tabla 2.2 Máximos esperados de la 100 kHz Ring Wave en localizaciones A & B. Aplican
para distribuciones monofásicas y trifásicas voltajes L-L, L-N- L-T, con impedancias
efectivas de 12 Ω y 30 Ω. ..................................................................................................... 31
Tabla 2.3 Máximos esperados de la 100 kHz Ring Wave en localizaciones A & B. Aplican
para distribuciones monofásicas y trifásicas voltajes L-L, L-N- L-T, con impedancias
efectivas de 12 Ω y 3 Ω. ....................................................................................................... 33
Tabla 2.4 Máximos esperados de la 100 kHz Ring Wave & de 1.2/50µs – 8/20µs
Combination Wave, en localizaciones A & B. Aplican para distribuciones monofásicas y
trifásicas voltajes N-T ........................................................................................................... 34
Tabla 2.5 Pruebas para un SPD diseñado para protección de categoría clase C .................. 34
Tabla 2.6 Características de la forma de onda ráfaga EFT ................................................... 36
Tabla 2.7 Criterios de amplitud de una onda ráfaga EFT ..................................................... 38
Tabla 2.8 Características de 10/1000µs Long Wave ............................................................ 39
Tabla 3.1 Impedancia a altas frecuencias de un conductor #4 AWG (25 ) suspendido
en el aire ................................................................................................................................ 61
xii
Tabla 3.2 Impedancia a altas frecuencias de un conductor #4/0 AWG (107 )
suspendido en el aire ............................................................................................................. 61
Tabla 3.3 Fuentes/Características de variaciones típicas de voltaje por interacciones entre
los componentes y el entorno del Sistema de Potencia ........................................................ 70
Tabla 3.4 Fuentes/Características de variaciones típicas de corriente por interacciones entre
los componentes y el entorno del Sistema de Potencia ........................................................ 71
Tabla 3.5 Fuentes/Características de variaciones típicas de frecuencia por interacciones
entre los componentes y el entorno del Sistema de Potencia ............................................... 72
Tabla 3.6 Límites de resistencia física y de correcta operación de dispositivos
semiconductores .................................................................................................................... 90
Tabla 4.1 Tecnologías de SPD, ventajas y desventajas ........................................................ 96
Tabla 4.2 Subcategorización de SPD según nivel de exposición para Ring Wave ............ 111
Tabla 4.3 Subcategorización de SPD según nivel de exposición para Combination Wave
............................................................................................................................................ 112
xiii
NOMENCLATURA
ANSI: American National Standard Institute.
EFT: Electric Fast Transient.
EMI: Electromagnetic Interference.
EUT: Equipment Under Test.
IEC: International Electrotechnical Commission.
IEEE: Institute of Electrical & Electronic Engineers.
IEEE C.62.41: Estándar IEEE Guide on the Surge Environment in Low-Voltage (1000 V
and less) AC Power Circuits.
IEEE Std. 1100: IEEE Recommended Practices for Powering and Grounding Sensitive
Electronic Devices, Emerald Book.
NEC: National Electrical Code.
NEMA: National Electrical Manufacturers Association.
NEMP: Nuclear Electro-Magnetic Pulse.
NFPA: National Fire Protection Association.
RFI: Radio Frequency Interference.
SPD: Surge Protection Device.
THD: Total Harmonic Distortion.
TVSS: Transient Voltage Surge Supressor.
UL: Underwriters Laboratories.
xiv
RESUMEN
Conforme se redactó este material se mantuvo total apego al objetivo principal de
poder especificar una protección integrada contra tensiones/corrientes transitorias para las 3
zonas de protección dictadas por la normativa ANSI/IEEE, y con ello, familiarizarse con
estos dispositivos de protección que empezaron a tener su apogeo a principios de la década
de los 80’s con la implementación de dispositivos desviadores de corrientes transitorias de
gran amplitud y muy corta duración, pero con la capacidad de llevar a la destrucción a
muchos dispositivos electrónicos. A partir de ese entonces empiezan a crearse estándares
que regulen el funcionamiento y las especificaciones de los dispositivos de protección
contra tensiones/corrientes transitorias. El enfoque se hizo basándose en lo estipulado por la
Norma Nacional de Diseño Eléctrico Vigente en Costa Rica (NEC).
La metodología se siguió a cabalidad, se realizó una investigación quizá más que
extenuante acerca de todo lo relacionado con SPD, sus parámetros, sus tecnologías, sus
precios para clientes no mayoristas, en fin, poder pasar de mucha información técnica a un
documento que logre al final de cuentas poder desplegar cómo se debe especificas las
protección integrada para estructuras a bajo voltaje (no más de 600 V).
A la postre, el objetivo principal y todos los objetivos secundarios se cumplieron
con diligencia, y este documento presenta, si bien es cierto exhaustivo despliegue de
información teórica ciertamente justificada, lo cierto es que también se llega a redondear un
documento práctico, yendo al punto de cómo especificar debidamente los dispositivos SPD.
xv
1
CAPÍTULO 1: Introducción
La necesidad de proveer energía eléctrica de características estables en voltaje y en
frecuencia ha estado presente desde la inserción de la misma en la vida cotidiana. Sin
embargo, la realidad es que cualquier gran sistema de potencia va a tener siempre
perturbaciones inherentes con la energía que trasiega.
Desde que se empezó a emplear corriente alterna en los grandes sistemas de
potencia se empezó a aumentar las expectativas acerca de tener intensidad luminosa
uniforme, así como también las manufacturas que empleaban motores lo demandaban para
el correcto funcionamiento de sus equipos. Ya para 1930 se tenían estudios que
comprobaban que una sencilla variación de un tercio de voltio era suficiente para percibir
parpadeo en luminarias incandescentes en una línea de alimentación de 120V. Esto
conllevo a que desde ese entonces se empezaran a desarrollar estándares para equipo de uso
habitual para prevenir eventualidades debidas a fluctuaciones de voltajes en la línea de
voltaje.
De manera similar en los 50’s se empezó a dar un problema semejante, pero con
aires acondicionados, pues los equipos más recientes consumían demasiada corriente en el
arranque para iniciar el funcionamiento de sus compresores, ocasionando así bajonazos en
el voltaje de línea, y con esto motores en condición de arranque durante esos instantes no
lograban su inicio adecuadamente y por ende nunca alcanzaban su condición nominal o
bien corrían pero como estando frenados. Esta problemática obligó a un consenso entre
proveedores de energía eléctrica y manufactureros para encontrar una solución, y en este
2
caso la solución fue conectar bancos de capacitores en paralelo con los establecimientos
que poseyeran equipo de este tipo, de esta forma el voltaje sería muy difícil de llevar a una
condición de fluctuación en un tiempo tan breve como el arranque de aires acondicionados
al voltaje de la línea.
Las quejas actuales ya no van dirigidas a los dos casos anteriores, sino más bien va
dirigida a la protección de equipo electrónico sensible a las fluctuaciones de voltaje,
fluctuaciones transitorias de voltaje y corriente. Los manufactureros venden equipo muy
moderno con la propaganda de poder hacer la vida cotidiana más fácil, sin embargo, como
es usual en los buenos comerciantes, nunca van a revelar las implicaciones que tiene la
conexión de estos equipos a la red de potencia, mucho menos lo van a aceptar como parte
de la garantía que los obligaría a enmendar el equipo dañado si se demuestra que la culpa
no es del proveedor de energía ni del usuario del equipo. Y es que, muchos equipos de
estado sólido que son indispensables para muchas tareas hoy en día, como los son
rectificadores/inversores, fuentes conmutadas, variadores de frecuencia y dispositivos de
estado sólido para el arranque de motores, son grandes fuentes de distorsión del flujo
energético. Aunque antes los grandes generadores de distorsión de la corriente eléctrica
eran pocos y contados, como grandes hornos por arco eléctrico (Electric Arc Furnaces,
EAF) y las terminales de transmisión de DC en alto voltaje, ahora los equipos capaces de
distorsionar tanto la forma de onda de voltaje como la de corriente abundan, los hay por
doquier, en muchísimas casas hay ahora una o más computadoras, todas ellas potenciales
generadoras de perturbaciones a las formas de onda que la alimentan. En el pasado, al estar
3
tan bien localizadas estas cargas perturbadoras de la pureza de la energía lo que se hacía era
ubicar un gran filtro que filtrara la contaminación que estas enviaran de vuelta al gran
sistema de potencia, sin embargo, estos filtros eran de costo muy elevado, algo que es
inviable ahora, pues las fuentes de distorsión son abundantes, y la densidad de estos
generadores de perturbaciones es muy grande.
Todo lo anterior solo mencionando un generador en potencia de fluctuaciones en la
energía del sistema eléctrico, otro gran responsable son las interacciones con el entorno que
rodea al sistema completo, y otra posible que aún está en análisis es la interacción de
sistemas que estén en estado de fluctuación.
Por todo lo anterior es indispensable que, al igual que en los 50’s para la solución
del problema de la calidad de la energía para con los aires acondicionados y cargas
reactivas que se vienen incorporando al sistema (por “switching”) como por ejemplo
motores, es necesario un consenso y uno o varios estándares que vengan a guiar tanto a
usuarios como a manufactureros en cuanto a uso y diseño, respectivamente, de equipo
sensible y en ambos casos, a proveer la normativa a seguir para la alimentación y
protección adecuada para este tipo de equipos. Bajo esa óptica se desarrollo el estándar
IEEE Std 1100 – 1992: “Libro Esmeralda”, y en base a este se sustenta el contenido de este
trabajo que se dedica al diseño de una protección integrada para estructuras de baja tensión
(600V) desde lo que son las terminales al aire libre, pasando por tableros de distribución
primarios y secundarios y llegando hasta los mismos receptáculos para proteger equipos de
uso final de naturaleza sensible.
4
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo general
Realizar el diseño de una protección contra tensiones transitorias integrada, esto es,
que abarque las protecciones clase C, clase B y clase A, para instalaciones eléctricas de
baja tensión (600 V).
1.1.2 Objetivos específicos
i) Descripción general de la naturaleza de los 5 tipos de fuentes de
perturbaciones abarcadas en este trabajo, a saber: fenómenos transitorios
debidos a rayos, fenómenos transitorios debidos a conmutación de equipo
eléctrico, fenómenos transitorios debido a interacción entre sistemas en
condiciones transitorias, perturbaciones por conexión de equipo no lineal a
la red de potencia y fenómenos transitorios debidos a descargas
electrostáticas.
ii) Análisis de los dos tipos principales de ondas transitorias de sobretensiones
según el Estándar IEEE C62.41-2, esto es, ondas “Combination Wave” y
“Ring Wave”, además de fenómenos de bajo voltaje “Sag Waves”.
5
iii) Diseño de la protección contra tensiones y corrientes transitorias de la
acometida de estructuras alimentadas por baja tensión.
iv) Diseño de la protección contra tensiones transitorias en los tableros
principales y secundarios en estructuras alimentadas por baja tensión.
v) Diseño de la protección básica contra tensiones transitorias de dispositivos
sensibles en estructuras alimentadas por baja tensión.
6
1.2 Metodología
La metodología a seguir en el desarrollo de este trabajo es totalmente investigativa.
Se hará una gran recopilación de información, estándares, revistas, documentos técnicos,
publicaciones, libros, conferencias, etc. Se extraerá lo más relevantes de toda esa
información, se homogenizará toda esa información, dicha homogenización se hará en base
de la a la pauta en normativa que esté rigiendo actualmente en el país, y dado que a partir
de principios de este año 2012 la determinación del CIEMI y del CFIA en general es
adoptar como norma nacional de diseño eléctrico a la NFPA 70 (NEC), estándar americano,
entonces se acogerá la pauta dictada por dicho estándar.
Dado lo anterior este trabajo se enfocará en el estándar IEEE Std 1100 – 1992:
“Alimentación & Aterrizamiento de Equipo Electrónico Sensible, Libro Esmeralda”,
además de los tomos 1 & 2 de la trilogía IEEE C- 62.41, además de, acoger la
recomendación y documentación de profesionales en el tema.
Eventualmente se podría entrar en comparación con lo que se enuncia en el estándar
IEEE Std 1100 – 1992 con respecto a lo que dice el estándar europeo IEC 62305, solamente
con fines comparativos, ya que la pauta a seguir es basarse en lo que dicta la normativa
IEEE aplicable.
El producto final de dicha investigación y homogenización exhaustiva será tener un
documento que sea capaz de servir como una guía robusta acerca del cómo energizar
equipo muy susceptible a fallos bajo esas condiciones, a cómo se debe realizar una
7
instalación aprobado por un ente internacional con alrededor de 160 países asociados,
pasando cómo se debe, por todos los conceptos relacionados con esta cuidadosa temática.
Además, parte importante de la metodología es el proceso de informar a los
Profesores lectores y al Guía del Proyecto con bastante periodicidad, ya sea mediante
adelantos o por correo electrónico o mediante reuniones, acerca del avance del proyecto,
sus eventuales recomendaciones y cualquier consulta que se tenga al respecto para llevar
este trabajo a buen término. Así también, se tiene pensado realizar una visita a alguna de las
casas de manufactura de algunos de estos dispositivos, por ejemplo, la planta de Eaton,
situada en Moravia.
Todo lo anterior y por supuesto que aterrizado a la realidad nacional, que está
comprometida con la normativa de IEEE en lo que respecta a diseño eléctrico de
edificaciones.
8
CAPÍTULO 2: Análisis de Fenómenos Transitorios
Habituales según IEEE C-62.41 1 &2 (600 V).
En este capítulo se dará un recorrido por información general y habitual del medio
en cuestión antes de entrar de lleno con lo que es la materia propia del diseño de
protecciones integrado contra fenómenos transitorios y otras perturbaciones.
Lo primero que debe quedar claro es que, como en muchos campos de la Ingeniería
Eléctrica existen demasiadas formas de llamar a un mismo término, esto con el fin de
adaptarlo al medio de cada uno, pero esto como bien lo dice el estándar Libro Esmeralda, lo
único que causa es tener muchas formas de llamar a lo mismo y esto puede causar gran
confusión, razón por la cual inclusive los especialistas que dieron luz al estándar se dan a la
tarea de excluir términos de uso habitual pero desacreditados por dicho ente, así las cosas se
tratará de ir por la misma lid, dado esto, aunque pueda escucharse un poco extraño se
adoptaran ciertos términos determinantes directos de su nombre en inglés, esto con el fin de
no aportar más adaptaciones a las ya demasiadas que hay con respecto a este vasto tema.
Por ejemplo, en vez de esforzarse en llamar a un fenómeno transitorio como sobretensión
transitoria de duración menor a medio ciclo de la onda fundamental de la señal, se le
llamará sencillamente transitorio “surge”.
Dicho lo anterior, se dividirá este capítulo en cuatro secciones:
- Los orígenes principales de fenómenos transitorios de voltaje y corriente.
- Propagación, dispersión y mitigación inherente de surges.
9
- Definición de las formas de onda surge estándar de prueba.
- Lista alfabética de términos utilizados en este trabajo
2.1 Los orígenes principales de fenómenos transitorios de voltaje y
corriente
Los fenómenos transitorios de voltaje y de corriente en sistemas de baja tensión son
producidos en su aplastante mayoría por dos motivos: las descargas atmosféricas (rayos) y
la conmutación de equipo reactivo. Aunque hay una tercera posible causa que puede afectar
tanto sistemas de distribución de potencia como lo es la interacción de sistemas distintos,
como un sistema de potencia y un sistema de telecomunicaciones, cuando uno de los dos ó
ambos se encuentran en evento de fenómeno transitorio.
a) Transitorios por rayos (surges).
Los transitorios por descargas atmosféricas son ocasionados por el impacto
directo de rayos al sistema de potencia, ó a la estructura en observación y su
vecindad ó al suelo. Inclusive, descargas atmosféricas distantes a la estructura
en cuestión pueden inducir tensiones transitorias en la línea que alimenta a las
cargas de la estructura en estudio.
b) Transitorios por conmutación de equipo eléctrico.
Los transitorios por conmutación de equipo eléctrico son el resultado de
acciones intencionales, como lo son conmutación de equipo transformador,
10
equipo electromecánico, conmutación de bancos de capacitores ó bien,
simplemente encender ó apagar una luz de un bombillo incandescente. Así
como también pueden deberse a acciones involuntarias como lo son entrada en
condición de falla de equipo reactivo y las consecuentes correcciones para
volver a entrar en condiciones de operación nominales y hasta inclusive
interrupción del servicio eléctrico debido a algún accidente de tránsito que daño
la red eléctrica temporalmente.
c) Transitorios por interacción de sistemas en condiciones transitorias.
Si en alguno de los sistemas interconectados se da un flujo de corriente
transitoria, entonces pueden llegar a inducirse tensiones transitorias en el ó los
otros sistemas que estén interconectados con el sistema en condición de régimen
no permanente.
d) Transitorios por conexión de equipo electrónico a la red de potencia.
e) Transitorios por descargas electrostáticas (ESD).
2.1.1 Transitorios por descargas atmosféricas (rayos).
Las descargas atmosféricas son un evento natural e ineludible que afecta tanto a los
sistemas de baja tensión, así también a grandes sistemas de potencia en todo su
rango de tensiones y también a los sistemas de comunicaciones. La primera noción
de efecto que se puede tener es un impacto directo a la estructura o al sistema de
11
potencia de interés, sin embargo, no necesariamente tiene que haber un impacto
directo para que se genera una condición de estado transitorio, puede ser que exista
impacto directo, impacto a lo cercano o bien un impacto a lo lejano. A pesar no
haber un impacto directo si hay mecanismos de acoplamiento entre los voltajes y
corrientes transitorias de las descargas y las líneas de distribución de potencia. La
figura 2.1 muestra más explícitamente estos tres tipos de interacciones.
Figura 2.1: Interacciones con descargas atmosféricas, [IEEE Std C.62-41-1].
Este tipo de transitorios pueden describirse en dos posibles escenarios:
- Escenario 1: Este es descargas atmosféricas que no interactúan directamente con
la estructura en cuestión, en este caso hay dos maneras en las que pueden darse
12
voltajes y corrientes transitorias: por acoplamiento de voltajes y corrientes
transitorias debido a acoplamiento directo o por inducción magnética en el
sistema de potencia y que logran propagarse hasta incidir en la entrada de
servicio eléctrico de la estructura. O bien, que se propaguen voltajes y corrientes
transitorias que ingresaron al cableado de la edificación mediante inducción
electromagnética.
- Escenario 2: El más raro de los casos es que se dé una descarga atmosférica
directa en la estructura o bien, en el suelo que rodea la estructura. En este caso
existen tres maneras distintas de acoplamiento de transitorios y la estructura: por
acoplamiento directo sería la primera, este tipo se da porque el rayo está
coincidiendo con la edificación de manera directa, el segundo sería por
acoplamiento electromagnético y el tercer tipo sería por un desbalance del nivel
de potencial de la referencia de tierra, ya que de inducírsele voltajes transitorios
o cualquier voltaje habría caída de potencial y ya el nivel de referencia se vería
alterado.
Ambos escenarios se explican de manera más resumida en la tabla 2.1.
Tabla 2.1: Métodos y efectos de acoplamiento de transitorios por rayos.
Atributos Descarga directa Descarga cercana Descarga lejana
Impacto – Mecánico Estructura
Impacto – Térmico Estructura & Circuitos
13
Energía SPD de entrada (Alto estrés) SPD de entrada (Medio estrés) SPD de instalación (bajo estrés)
Razón de cambio de la corriente Circuitos Adyacentes Circuitos cercanos Ramales extensos
Aumento en el potencial de la tierra Circuitos Adyacentes Circuitos cercanos
Acoplamiento Magnético Circuitos Adyacentes Circuitos cercanos Ramales extensos
Acoplamiento Capacitivo Circuitos Adyacentes Circuitos cercanos
Acoplamiento Directo Circuitos Conectados Circuitos cercanos
Debidos a propagación por la línea SPD de entrada (Alto estrés) SPD de entrada (Medio estrés) SPD de entrada (Bajo estrés)
En estos tiempos ya se tiene una noción aún más profunda respecto a la incidencia
de rayos en cualquier región, ya los mapas ceráunicos van quedando rezagados respecto a
nuevas tecnologías como lo son los mapas de densidad de rayos por kilómetro cuadrado.
Con este tipo de tecnología se tiene una noción aún mayor a la hora del diseño de
protecciones contra descargas atmosféricas entre nube y tierra. Debe reconocerse la
principal diferencia entre un mapa ceraúnico y un mapa de densidad de rayos, el segundo es
exactamente lo que su nombre dice, mientras que el primero viene a ser una mapa
geográfico segmentado por líneas ceraúnicas que indican los días de tormenta por con
la presencia de al menos un rayo, por lo que aún de este tipo de mapas puede obtenerse
información muy valiosa. En la figura 2.2 se muestra el mapa ceraúnico de Costa Rica para
el año 2011.
14
Figura 2.2: Mapa Ceraúnico de Costa Rica del 2011, [Resumen anual de descargas
atmosféricas de Costa Rica 2011, Mora].
Dicho sea de paso, hay tres tipos de descargas atmosféricas: de nube a tierra, de
tierra a nube y de nube a nube, todas regidas bajo el fenómeno de interacción de cargas por
campos eléctricos. De las tres, la más potente es la descarga de nube a tierra, además la
aplastante mayoría de descargas son de signo negativo, son un 90% del total de las
descargas entre nube y tierra, es decir cargas negativas van de la nube a la tierra a equilibrar
la carga positiva en exceso que yace en la tierra y en estructuras que están sobre ella
15
(Dehn). En el caso de impacto directo de rayos la gran amenaza viene siendo la gran
corriente que provee el rayo, ya sea al sistema de distribución o a la estructura en sí, si bien
es cierto la resistencia que posee el canal del rayo es un poco alta, varios kΩ, la corriente es
tan alta que es independiente del circuito al que le esté entrando, esto desde el punto de
vista de análisis de circuitos puede verse como una fuente de corriente independiente que
entra a abastecer de corriente a cualesquiera circuitos ramales que le conecten. Este
comportamiento se ilustra en la figura 2.2, en el caso de la izquierda.
Figura 2.3: Efectos eléctricos del acoplamiento directo e indirecto de transitorios
originados por rayos, [IEEE Std C.62.41-1].
Para el caso impacto en zonas cercanas, se tiene la misma situación, solo que sería
solamente una pequeña fracción de la amplitud original.
16
Y para el caso de impacto en zonas alejadas, el único efecto que se vería sería el que
pueda transmitirse mediante acoplamiento por inducción electromagnética, este caso lo
muestra también la figura 2.2, pero en la sección derecha.
2.1.2 Transitorios por conmutación de equipo eléctrico.
Los transitorios de voltaje y de corriente por conmutación de equipo eléctrico son
algo que se da todos los días y en todo momento, desde el encendido y/ó apagado de
bombillos incandescente, la conmutación de equipo reactivo como transformadores,
motores, bancos de capacitores, ó inclusive la interrupción del servicio eléctrico, son por
solo mencionar unos ejemplos de los fenómenos de conmutación, y lo habituales que son.
Las tres variables de interés en este tipo de fenómenos son: la frecuencia de las
harmónicas que lo componen, la duración del transitorio y por ende, la cantidad de
oscilaciones que se presentan, y por último y muy importante, la amplitud del transitorio.
Usualmente, al haber conmutación de algún equipo eléctrico, lo que se presentan
son oscilaciones amortiguadas a altas frecuencias (frecuencias determinadas por las
frecuencias de resonancia del circuito en cuestión) hasta que la respuesta se asienta en un
nuevo estado estable. La magnitud del transitorio está determinada por varios factores
como lo son, el circuito en cuestión, la carga que alimenta, el tipo de conmutación
(encendido, apagado, falla) y el tipo de interruptor empleado (breaker, conmutación de
elementos de estado sólido, fusible, etc).
17
Para un caso general se puede ver en la figura 2.4 una carga RLC serie que conmuta
mediante un breaker, y en la figura 2.5 la forma característica de su voltaje de entrada.
Figura 2.4: Carga RLC serie en conmutación. [IEEE Std C.62.41-1].
Figura 2.5: Transitorios habitual por conmutación. [IEEE Std C.62.41-1].
Los tres parámetros de interés pueden obtenerse, empezando por la frecuencia y
cantidad de oscilaciones, analizando el circuito en cuestión, esto es los valores
característicos de la resistencia, la capacitancia y la autoinductancia. En lo que respecta a la
18
amplitud del transitorio, este está en función de los valores característicos del circuito y de
la amplitud del voltaje en el momento de la conmutación.
La amplitud del transitorio está en función directa con la amplitud del voltaje de
alimentación en el instante de la conmutación. La sobretensión más alta que aporta la
componente de más alta frecuencia se suele dar cuando el voltaje de alimentación está en su
máximo.
En la mayoría de los casos, la amplitud máxima de estos tipos de transitorios está
alrededor del doble de la amplitud del voltaje aplicado, sin embargo puede ser mayor,
especialmente cuando se conmuta equipo reactivo, así como interrumpir corrientes de
cortocircuito.
Otra manera de sobretensión, muy rara eso sí, es que la frecuencia de oscilación
calce con la frecuencia de resonancia del sistema, en cuyo caso las sobretensiones si serían
varias veces más altas, pero es un caso raro de ver. La frecuencia de resonancia está en
función del circuito de baja tensión que se esté analizando. La forma característica de las
ondas transitorias es función exclusiva del circuito de baja tensión que se esté estudiando, y
por lo general, el transitorio suele enmendarse es a lo mucho un periodo de la onda de
voltaje nominal.
Ahora bien, los transitorios por conmutación pueden ser divididos en dos categorías,
por operación normal y por operación anormal.
19
Transitorios por conmutación normal: Son aquellos que se producen debido a la
operación normal de los equipos eléctricos, sin embargo, esto no los exonera de
ser fuentes de voltajes y corrientes transitorias. Varios ejemplos de este tipo de
situaciones son:
- Conmutación de equipos pequeños alrededor del punto de interés: Este tipo de
situaciones incluyen conmutación manual o automática de cargas pequeñas
como bombillos, en donde la corriente de inrush (arranque) es más alta de los
normal y el pico de voltaje llega a alcanzar la amplitud nominal más la mitad de
la amplitud nominal, para la acción de calentar el frío filamento de tungsteno del
bombillo incandescente.
- Notching (ranurado) de voltaje, este tipo de transitorio es común en procesos de
conversión de potencia. El ranurado es causado por cortocircuitos entre fase y
fase momentáneos que causan rápidos cambios en el voltaje y con una duración
en el rango de los 100µs. Por lo general este tipo de transitorios, aunque pueden
llegar a interferir con equipo electrónico sensible, no llegan a causar
perturbaciones de consideración en los mismos.
- Reignición o reencendido múltiple durante una operación de conmutación, este
tipo de fenómenos son comunes en contactores de aire y en los interruptores de
mercurio. En los contactores de mercurio, la conmutación está en función de la
ubicación del interruptor, así, se generan ondas de voltaje de naturaleza
20
compleja y cuya amplitud rebasa, en instantes de transitorios, con cierta
normalidad, el voltaje pico de la onda de alimentación por varias veces. Para ser
más específicos, el tipo de este uso de interruptores fue la motivación para que
en los 70’s y 80’s, desarrolladores de tecnologías de control se reunieran para
empezar a redactar los primeros estándares concentrados en compatibilidad
electromagnética (EMC, por sus siglas en inglés) (IEEE C-62.41).
- Conmutación de componentes de grandes sistemas de potencia como
transformadores, bancos de capacitores, reactores, líneas o cables. El
reencendido de un banco de capacitores en sistemas de utilidad (grandes
abastecedores de energía eléctrica) generan transitorios con una amplitud de a lo
sumo dos veces el voltaje nominal de la fuente. Sin embargo, para lo que
concierne a bajo voltaje, la entrada por conmutación de bancos de capacitores es
capaz de generar transitorios de hasta 4 veces la amplitud del voltaje nominal de
alimentación. Este tipo de transitorios pueden ocurrir todos los días y sus
formas de onda son similares a la que se muestra en la figura 2.4 solo que con
una duración más prolongada, aunque generalmente suelen tener una amplitud
del doble del alimentación nominal del sistema. Si durante la conmutación a
apagado el banco de capacitores se reenciende varias veces este tipo de
transitorios alcanzan una amplitud de aproximadamente tres veces de la
amplitud del voltaje nominal de la línea.
21
Transitorios por conmutación anormal: Condiciones anormales y no planeadas
forman parte del comportamiento de los elementos de un sistema de potencia.
Además del comportamiento errático también las acciones que se toman para
corregirlas forman parte de la conmutación no contemplada de equipo
correctivo, que a su vez generará más transitorios de voltaje y corriente. Varios
ejemplos de estas condiciones son los siguientes:
- Fallas por arco son un fenómeno que se da por deterioro del material aislante de
los conductores, y se originan por fallas a tierra. Entre sus efectos están generar
arcos de alta temperatura y presión de arco, además de ir desgastando
escalonadamente el material aislante de los conductores hasta que se llegue a un
punto de falla de fase a fase. En estructuras que no posean una conexión a tierra,
se da un fenómeno de capacitancia extraviada el cual ocasiona voltajes de alta
frecuencia y de una amplitud de 2 a 3 veces del voltaje nominal de fase a neutro
de aplicación. En condiciones de resonancia las amplitudes pueden ser mucho
mayores.
- Corrección de fallas pueden darse a partir de fusibles limitadores de corriente ó
bien puede aplicarse recorte de corriente (current chopping) ocasiona que se
almacene energía en los bobinados. A menos que exista un camino de baja
impedancia para descargar esa energía, toda esa energía lo que hará es generar
voltajes transitorios de alta amplitud y de prolongada duración (100µs) a las
22
cargas que estén en paralelo durante el tiempo que se mantenga la corrección de
la falla.
2.1.3 Transitorios por interacción de sistemas en condiciones transitorias.
Fenómenos transitorios debidos a interacción entre sistemas en condiciones
transitorias es algo que puede darse con total normalidad en el día a día. Aunque se han
hecho grandes esfuerzos en cuanto a investigaciones, estudios, hasta tomando parte en
estándares, una conexión a tierra con la resistencia más baja posible no es la solución ideal
para desviar corrientes de fallas. Realmente cualquier camino de material conductor tiene
una autoinductancia implícita, y a la hora de presentarse una corriente que lo atraviese con
una alta variación en poco tiempo ocasiona que se induzca un voltaje entre sus terminales
bastante alto. Así las cosas, cualquier corriente de fenómenos del tipo surge, que son de una
amplitud de aproximadamente el doble del voltaje nominal del sistema y de una alta
frecuencia va a ocasionar se va a inducir en el cable conductor debido a una corriente que
varía rápidamente con el tiempo. De esta forma, un conductor de tierra que absorba
corrientes transitorias debidas a descargas por rayos de cualquiera de los dos escenarios
previamente analizados van a ocasionar en este mismo conductor una gran diferencia de
potencial a lo largo de este. Si además de lo anterior que solamente respecta a la protección
contra sobrecorrientes de seguridad tipificada en el NEC se le agrega lo que es el cableado
del sistema de telecomunicaciones de la estructura, el cual también tiene su conexión a
tierra, entonces si uno de los dos sistemas entra en condiciones de sobretensión y de
23
funcionar en buenas condiciones la ruta a tierra, bastará con que solo uno de los dos
sistemas entre en condición de descarga a tierra para que ambos sistemas se vean afectados
por la invasión de una corriente y un voltaje transitorio en su conductor de tierra.
En la figura 2.6 se muestra un esquema de la convivencia de estos dos sistemas en
una misma edificación.
Figura 2.6: Edificación provista de servicios de telecomunicaciones y energización,
[IEEE Std C.62.41-1].
2.1.4 Transitorios por conexión de equipo no lineal a la red de potencia.
A la hora de introducir a la red de potencia un equipo no lineal, se está
introduciendo un equipo que consume corriente no lineal, esta corriente no lineal produce
caídas de voltaje no lineales en la impedancia característica de la fuente de suministro, y
con esta se superponen componentes harmónicas a la componente fundamental, esto en el
24
tiempo se puede apreciar como formas de onda distorsionadas, esto a pesar de ser una
fuente senoidal la que está proveyendo la energía al circuito en cuestión.
Un ejemplo bastante habitual de este tipo de corrientes es una computadora en
cualquiera de los cuartos de una casa.
2.1.5 Transitorios debidos a descargas electrostáticas (ESD).
Este fenómeno se da por la acumulación de cargas eléctricas en el cuerpo de un ser
vivo o bien por acumulación en algún en objeto y a la hora de encontrar un camino a tierra
esas cargas solamente siguen ese camino de relativamente baja impedancia,
Si bien es cierto este fenómeno no es culpa de los proveedores del servicio eléctrico,
vale la pena mencionarlo como una causa bastante habitual de inducción de voltajes
transitorios en una red eléctrica.
25
2.2 Propagación, dispersión y mitigación inherente a surges
El comprender el fenómeno completo de un transitorio conlleva muchísimos
detalles muy específicos, y muchas veces, imposibles de obtener por el usuario, por
ejemplo, se debería conocer la impedancia exacta de la línea de transmisión del sistema, la
impedancia exacta de la fuente proveedora de energía, además conocer la intensidad exacta
de la corriente que se le imprime al sistema y/o el voltaje que se le imprime entre las
terminales del sistema, además de conocer la impedancia exacta de todos los circuitos
ramales que podrían ser afectados, y luego aplicar análisis de nodos ó bien, en caso de ser
circuitos planos se podría aplicar análisis de mallas. Sin embargo eso es muy ideal, razón
por la cual debería aplicarse una simplificación e inclusive más de ser posible, por eso la
primera de ellas va a ser clasificarlos entre transitorios de corriente y transitorios de voltaje.
Un transitorio surge de corriente se va a analizar como una fuente de corriente que
se le imprime al sistema. Habitualmente los transitorios surge provocados por rayos del tipo
que inciden directamente en la estructura en cuestión ó en el sistema de potencia en las
afueras de la edificación ó en tierras muy cercanas ó de estructuras muy cercanas a la
edificación en cuestión caen en esta categoría. Un dato importante a considerar es qué tan
frecuente es que un rayo golpee directamente una estructura no alta, la estadística dice que
una vez cada 100 años [IEEE Std C.62.41-1] Por esta razón los tipos de transitorios más
habituales en cuanto a lo que respecta a descargas atmosféricas de nube a tierra no son
surges de corriente.
26
Un transitorio surge de voltaje que ataque un circuito local en observación, dada a la
frecuencia con la que ocurren en todas sus variedades, se ha llegado a concluir que la gran
mayoría se dan por inducción, y pueden inducirse de dos maneras distintas, por
acoplamiento directo o bien por acoplamiento magnético. Se conoce como acoplamiento
directo a la transferencia de energía que se da entre un circuito exterior grande y un circuito
ramal local de tamaño más reducido, donde dicha transferencia se da por un contacto
directo que existe entre ambos circuitos. En cuanto a acoplamiento magnético, no es
necesario que haya una conexión material entre ambos circuitos, bastará con que una
corriente surge recorra un circuito y que su flujo logré enlazar al circuito ramal aislado en
observación.
Con lo dicho en los párrafos anteriores recientes, además de proveer una
simplificación al análisis del fenómeno se permite tener una noción que como se propagan
a lo largo del sistema de potencia completo, incluyendo generación, distribución y usuario.
Otra simplificación que se hace además de las consideraciones anteriores es
segmentar la edificación en zonas. El análisis por zonas solo aplica para el caso más típico
que sería el Escenario 1.
La división por categorías es tal y como lo muestra la figura 2.8.
27
Figura 2.7: División por categorías de una edificación para análisis de fenómenos
transitorios, [IEEE Std C.62.41-1].
Así a la entrada puede trasegarse una gran corriente, el cableado de la acometida es
bastante grueso aunque se hablen de instalaciones de bajo voltaje, sin embargo a la hora de
tratar de ingresar al interior de la estructura ya no seguirá transportándose por un solo
camino y menos aún de tan baja resistencia, pues los circuitos ramales son varios calibres
menores respecto al calibre de la acometida, así las cosas, luego de la etapa C, viene una
bajada en corriente, esta viene acompañada de una disminución dramática de voltaje,
deducible de la ley de Ohm real como su emulación para impedancias, esto lo muestra la
figura 2.9. La división de categorías, tal como lo muestra la figura 2.8 está comprendida por
tres categorías, la categoría clase C abarca lo que es el medidor, la entrada de energía que
proviene de la empresa de servicio eléctrico, pasando después por la categoría B que abarca
28
equipo de servicio (páneles) y circuitos de corta extensión, y finalmente la categoría A
cubrirían receptáculos y circuitos ramales largos.
Figura 2.8: Pendiente negativa de corriente y escalón de voltaje en función de la
distribución de categorías, [IEEE C.62.41-1].
En lo que respecta al Escenario 2, el fenómeno es más sencillo, la excesiva corriente
que imprime un surge de corriente debido a una descarga atmosférica nube a tierra que
impacte directamente la estructura buscará bajo cualquier medio descargarse a tierra, y es
aquí donde está la parte complicada pues en una estructura hay múltiples caminos a tierra,
por ejemplo, el electrodo de tierra de seguridad que establece el NEC, las tuberías, la
conexión a tierra de un antena receptora, inclusive, la corriente de transitorio buscará
descargarse a través del dispositivo de desviación de sobrecorrientes de la categoría A
previamente mencionado, y este camino lo logra inclusive pasando a través de los
29
conductores de fase, además de según lo que se ha observado, el camino más utilizado para
descargas a tierra de este tipo de sobrecorrientes lo logran a recorriendo el camino del
conductor neutro, por ende son demasiados caminos para poderse dispersar. Esta
multiplicidad de trayectorias las muestra la figura 2.10.
Figura 2.19: Caminos posibles de descarga a tierra de sobrecorrientes transitorias,
[IEEE C.62.41-1].
30
Además de los múltiples intentos de descarga a tierra, otro efecto que tienen los
fenómenos presentados en el Escenario 1 son la inducción de fenómenos transitorios
debido a los campos electromagnéticos del rayo incidente en la estructura, además de elevar
el potencial del neutro lo cual es demasiado crítico pues se está modificando el nivel de
referencia eléctrica de toda estructura.
2.3 Definición de las formas de onda surge estándar de prueba
Las ondas surge estándar recomendadas son la onda de 0.5 – 10 µs “Ring Wave” y
la onda 1.2/50 µs – 8/20 µs “Combination Wave”. En la sección 2.4 se definirán ondas
transitorias de sesgo en la amplitud de voltaje y de corriente tales como ondas “sag” y
ondas “notch”. Todas estas ondas de prueba son generadas mediante un generador de
señales.
2.3.1 100 kHz Ring Wave.
En la figura 2.11 se muestra la forma de onda de este transitorio, además en la tabla
2.2 se muestra las características específicas habituales, donde se puede apreciar que
especificaciones como la amplitud están en función de la categoría en la que se está dando
el transitorio, esto es de esperar pues al ser los transitorios una señal que viaja por un medio
no ideal esta onda debe ir perdiendo ganancia con el paso del tiempo y de la trayectoria que
ha recorrido.
31
Una especificación de interés que vale la pena subrayar es el término impedancia
efectiva el cual se conoce como la proporción entre el voltaje pico a circuito abierto y la
corriente pico de cortocircuito de dicho transitorio en cuestión. Estas mediciones ya fueron
debidamente simuladas y experimentadas en un entorno controlado.
Figura 2.10: Forma de onda de la 100 kHz Ring Wave (voltaje o corriente), [IEEE Std
C.62.41-2].
Tabla 2.2: Máximos esperados de la 100 kHz Ring Wave en localizaciones A & B.
Aplican para distribuciones monofásicas y trifásicas voltajes L-L, L-N- L-T, con
impedancias efectivas de 12 Ω y 30 Ω, [IEEE Std C.62.41-2].
2.3.2 Forma de onda Combination Wave.
32
La forma de onda de una Combination Wave está compuesta por dos partes. Esta
onda se obtuvo mediante la aplicación de una onda de voltaje a un circuito abierto de
1.2/50µs, y de aplicar una corriente a un cortocircuito de 8/20µs, donde la notación indica
tiempo de subida/periodo. Esta forma de onda compuesta se puede apreciar en la figura
2.12 y en la figura 2.13 y sus características de amplitud se muestran en la tabla 2.3.
Figura 2.11: Forma de onda Combination Wave 1.2/50µs de circuito abierto, [IEEE
Std C.62.41-2].
Figura 2.12: Forma de onda Combination Wave 8/20µs de cortocircuito, [IEEE
C.62.41-2].
33
Tabla 2.3: Máximos esperados de la 100 kHz Ring Wave en localizaciones A & B.
Aplican para distribuciones monofásicas y trifásicas voltajes L-L, L-N- L-T, con
impedancias efectivas de 12 Ω y 3 Ω, [IEEE Std C.62.41-2].
Las tablas 2.2 y 2.3 muestran las características entre conductores de fase y ya sea el
conductor de neutro o el de tierra, ó bien aplica para voltajes de línea a línea, sin embargo
es relevante conocer las características de amplitud de la onda para voltajes entre neutro y
tierra, más aún que se conoce que una inducción de voltajes transitorios puede hacer perder
la referencia de voltaje.
34
Tabla 2.4: Máximos esperados de la 100 kHz Ring Wave & de 1.2/50µs – 8/20µs
Combination Wave, en localizaciones A & B. Aplican para distribuciones monofásicas
y trifásicas voltajes N-T, [IEEE Std C.62.41-2].
Hasta el momento solo se ha comentado respecto a las localizaciones A & B, sin
embargo para las localizaciones clase C también se tienen las características de amplitud de
transitorio para el diseño de un protector de surges clase C. Esa recopilación se muestra en
la tabla 2.6.
Tabla 2.5: Pruebas para un SPD diseñado para protección de categoría clase C, [IEEE
Std C.62.41-2].
35
2.3.3 Ráfagas EFT (Electric Fast Transient Burst).
Las ráfagas EFT son una serie de impulsos unidireccionales repetitivos que se
repiten con una determinada periodicidad. Esta onda es plenamente una onda de voltaje de
prueba ingeniada por la IEC y debidamente especificada en el estándar IEC 61000 4-
4:1995, meramente como una onda para probar la inmunidad a interferencia del equipo bajo
prueba (EUT, Equipment Under Test), por esta razón, a diferencia de la Combination Wave
esta forma de onda no incluye una forma de onda característica para condiciones de
cortocircuito, ya que esta forma de onda no es una medida de prueba de capacidad sino de
inmunidad a interferencia. Esta onda si bien es cierto simula un fenómeno característico del
Escenario 1, no simula por completo un fenómeno surge, pues solo toma en cuenta la onda
de voltaje con el fin de simular interferencia a ráfagas razón por la cual no se considera
estrictamente una forma de onda que simula una onda surge, sin embargo como se verá más
adelante en el trabajo, estas ondas a ráfagas simulan bastante bien el comportamiento en
voltaje de una conmutación de cargas electromecánicas como motores, generadores, etc.
En la tabla 2.7 se muestra un resumen de las características más relevantes de la
forma de onda de ráfaga EFT, donde se muestra amplitud, tiempo de subida, duración de la
ráfaga y la separación entre ráfaga y ráfaga, además se muestra en la figura 2.14 la forma
de onda de dos periodos de esta onda y en la figura 2.15 se muestra esta onda aislada.
36
Tabla 2.6: Características de la forma de onda ráfaga EFT, [IEEE Std C.62.41-2].
EFT
Característica Magnitud
Duración del impulso 50 ns
Tiempo de subida 5 ns
Duración de la ráfaga 15 ms
Periodo de la ráfaga 300 ms
Un dato muy importante que no debe sonar nada extraño debido a la naturaleza
artificial en plenitud de esta forma de onda es la frecuencia de los impulsos dentro de una
misma ráfaga, esta frecuencia es variable y está directamente ligada con la amplitud de la
ráfaga, de esta forma, si la amplitud es menor ó igual a 2 kV entonces la frecuencia es de 5
kHz, si la amplitud supera los 2 kV entonces la frecuencia es de 2.5 kHz. Es importante
recalcar que lo que concierne a la figura 2.15, el tiempo de subida se toma como el tiempo
que tarda el impulso en pasar de un 10% de su amplitud al 90% de su amplitud, así como
también la duración del pulso se mide bajo el criterio FWHM (Full Wave, Half Maximum),
es decir, la duración se mide desde un punto de mitad de amplitud hasta el siguiente punto
de mitad de amplitud.
37
Figura 2.14: Forma de onda de dos periodos de una onda ráfaga EFT, [IEEE Std
C.62.41-2].
Figura 2.15: Forma de onda de un impulso específico de una ráfaga EFT, [IEEE Std
C.62.41-2].
En lo que respecta a la amplitud de esta onda, este valor se obtiene aplicando esta
onda a un circuito abierto, sin embargo su forma de onda se obtiene al aplicar ese voltaje a
38
una carga de 50 Ω. Debe de tomarse en cuenta que la fuente de esta onda tiene una
impedancia de fuente de también 50 Ω para frecuencias entre 1 MHz y los 100 MHz.
No se muestra la forma de onda de la corriente pues esa forma de onda va en
función del EUT, y eso varía de carga en carga.
Si bien es cierto se ha comentado acerca duración del pulso, tiempo de subida del
pulso, periodo de la ráfaga EFT y duración de la ráfaga, mas aún no se ha comentado en lo
que respecta a amplitud, y es que según IEC 61000 – 4 – 4: 1995, esta forma de onda
experimental puede tener 5 niveles de amplitud, los cuales se muestran en la tabla 2.8, sin
embargo, para no adentrar en este tema, se considera a bien tomar solo 3 de las 5
amplitudes fijadas por el estándar antes citado, además se deja el cuarto criterio que se
define según un acuerdo entre todas las partes en cuestión.
Tabla 2.7: Criterios de amplitud de una onda ráfaga EFT, [IEEE Std C.62.41-2].
Amplitud de la ráfaga EFT
Baja 1 KV
Media 2 KV
Alta 3 KV
Pactada Acordada
2.3.4 10/1000µs Long Wave.
La gran diferencia que existe entre esta forma de onda y las dos formas de onda de
transitorios surges es el hecho de que en aquellas dos se veían efectos favorables conforme
39
se fuera avanzando en las categorías de distribución, en esta onda de aquí, el concepto de la
localización de categorías pierde validez, dicho concepto establece que las altas
inductancias propias de los circuitos ramales limitan la magnitud de los transitorios
específicamente en las frecuencia de operación de estos, y que además van perdiendo
amplitud conforme se avanza desde la entrada de servicio.
En la tabla 2.8 se muestra el resumen de las características de estas ondas de prueba
y en la figura 2.16 se muestra la forma de esta onda.
Tabla 2.8: Características de 10/1000µs Long Wave, [IEEE Std C.62.41-2].
Onda Larga
Tiempo de subida Duración
Voltaje O.C 10 microsegundos 1000 microsegundos
Corriente S.C 10 microsegundos 1000 microsegundos
40
Figura 2.16: Forma de onda de una 10/1000µs Long Wave de corriente, [IEEE Std
C.62.41-2].
2.4 Glosario de términos
En esta sección se dará un breve glosario de términos que aparecerán bastante
seguido a lo largo de este trabajo y que podrá ser de gran ayuda como consulta rápida a los
términos propios y frecuentes de esta área.
- Acoplamiento: Elemento o elementos de circuitos o inclusive una red, que es
común tanto a la malla de entrada como a la malla de salida a través del cual se
da transferencia de energía de un elemento a otro.
- Aislamiento: Separación de una sección del sistema de efectos indeseados.
- Amperímetro de lectura directa: Amperímetros que son empleados con una
combinación serie-paralelo y que trasiega parte de la corriente total del circuito
con propósitos de medición. Forman parte del circuito en cuestión.
41
- Bajo Voltaje: Decremento del voltaje ac rms, a la frecuencia de operación
nominal, cuya duración supera unos varios segundos.
- Blindaje (shielding): Es la técnica de colocar barreras conductoras entre fuentes
potenciales de ruido y circuitería sensible. Suelen aparecer en la forma de
barreras metálicas, carcasas, ó envolturas alrededor de los circuitos emisores y
receptores de información.
- Calidad de la potencia (energía): Es el concepto de alimentar y aterrizar equipo
electrónico sensible con el fin de que este opere apropiadamente.
- Carga crítica: Dispositivos y equipos que a la hora incurrir en funcionamiento
no satisfactorio pone en riesgo la salud de quienes laboran determinada
estructura y/ó conlleve en pérdida de funcionamiento de los dispositivos y
equipos en cuestión, pérdidas financieras ó bien daño a propiedades críticas para
el usuario.
- Carga lineal: Carga eléctrica que en régimen permanente ofrece una impedancia
de carga constante a la fuente de potencia durante un ciclo completo de la onda
de voltaje aplicada.
- Carga no lineal: Carga que absorbe corriente discontinua o bien que varía su
impedancia durante la aplicación de una forma de onda de voltaje a lo largo de
su periodo.
42
- Circuito de conexión estrella: Circuito polifásico en el cual la corriente de todas
las fases se extiende de una terminal hasta una terminal en común. (En circuitos
trifásicos esta configuración es llamada configuración Y).
- Conductor de tierra de equipos: Conductor empleado para conectar las partes no
conductoras de conductos, canaletas y encerramientos de dispositivos y equipos
al electrodo de tierra en el equipo de servicio (tablero principal) o al secundario
de un sistema derivado separado (por ejemplo un transformador de aislamiento).
- Corriente no lineal de carga: Corriente de carga que es discontinua o bien no
proporcional al voltaje ac aplicado.
- Desplazamiento de fase: Desplazamiento de en el tiempo de una onda periódica
respecto a otras ondas.
- Desplazamiento del factor de potencia: El componente de desplazamiento del
factor de potencia es la proporción entre la potencia activa de la onda
fundamental respecto a la potencia aparente de la onda fundamental.
- Desviación de frecuencia: Un incremento o decremento de la frecuencia de
operación nominal. Esta desviación puede ser de varios segundo hasta inclusive
varias horas.
- Distorsión de voltaje: Cualquier desviación a la forma de onda senoidal pura ac
nominal de línea.
- Distorsión Harmónica Total (THD): Es el cociente del valor rms del contenido
harmónico respecto al valor rms del componente fundamental de la cantidad en
43
cuestión, se suele expresar en porcentajes de la onda fundamental. A veces se le
conoce como factor de distorsión.
- Dropout: Pérdida de la operación de un equipo debido a interrupción, sag ó
ruido.
- Ecualizador de referencia para surges: Es un dispositivo de protección contra
surges (surge protective device, SPD) que es utilizado para conectar equipo a
sistemas externos por el cual todos los conductores conectados a la carga que
está siendo protegida son direccionados, tanto física como eléctricamente, a
través de una carcasa con un punto común de referencia entre los puertos de
entrada y salida del sistema en cuestión.
- Electrodo de tierra: Un conductor o grupo de conductores en contacto íntimo
con la tierra, con el fin de proveer una conexión directa con la tierra.
- Estructura de señal de referencia: Un sistema de caminos conductivos entre
equipo interconectado que reduce la inducción de ruidos en voltaje a niveles en
donde se minimicen la entrada en operación indebida. Configuraciones
habituales incluyen mallas y planos.
- Factor cresta: Proporción entre la amplitud (cresta) y el valor rms de una forma
de onda periódica.
- Factor de forma (para funciones periódicas): Proporción entre el valor rms y el
valor absoluto promedio, promediado sobre un periodo completo de la forma de
onda.
44
- Impedancia de transferencia avante: Un atributo similar a la impedancia de
fuente, solo que a frecuencias distintas de la nominal (por ejemplo 60 Hz
nominal). Esta impedancia le permite al diseñador evaluar la capacidad de
entrega de corriente para frecuencias harmónicas, y si esta es suficiente como
para mantener una forma de onda de voltaje aceptable. Generalmente las
frecuencias de interés van de los 3 a 60 Hz, para sistemas de 5 a 60 Hz, y de los
20 a los 25 kHz para los sistemas de 380 – 480 Hz.
- Impedancia de transferencia reversa: Similar a la impedancia de transferencia
avante, en este caso es la impedancia que ve la carga del lado de la fuente.
- Inrush: Corriente de arranque de una carga.
- Interrupción: La pérdida completa de voltaje por un lapso de tiempo.
- Intervalo de voltaje de entrada: Es el rango de valores de voltaje de entrada que
maneja el sistema.
- Lazo de tierra: Un lazo potencialmente perjudicial que se forma cuando se
interconectan mediante un camino conductor dos puntos aislados que
nominalmente están a voltaje de tierra de forma tal que al menos el camino
conductor o ambos puntos no están al mismo potencial.
- Malla de tierra: Es un sistema de conductores desnudos que se acomodan
siguiendo cierto patrón y que son enterrados bajo la superficie de la tierra.
- Modo de falla: Efecto que permite contemplar una falla.
45
- Monitoreo de perturbación de la potencia: Instrumentación desarrollada
exclusivamente para el análisis de mediciones de voltaje y de corriente.
- Notch: Una perturbación a la forma de onda de voltaje nominal, a causa de
conmutación generalmente, que inicialmente es de sentido opuesto al de la onda
de voltaje nominal, dicha perturbación dura menos de medio ciclo. Este tipo de
perturbaciones incluye interrupción de un máximo de medio ciclo de la forma
de onda nominal. En la figura 2.17 se muestra como una toma de osciloscopio
de este tipo de transitorio.
Figura 2.17: Transitorio notch en una forma de onda senoidal, [IEEE Std. 1100,
Emerald Book].
- Parpadeo (flicker): Variación del voltaje de entrada suficiente para percibir un
cambio en la intensidad de una fuente de luz.
46
- Perturbación de la potencia: Desviación cualquiera del valor nominal de
potencia de ac de entrada (ó de un valor límite establecido en función de la
carga).
- Regulación de carga desbalanceada: Especificación que define la máxima
diferencia de voltaje entre las tres fases de salida que ocurrirá cuando la carga de
las tres fases son de niveles diferentes.
- Regulación de voltaje: Medida de control o estabilidad del voltaje rms en la
carga. Es con frecuencia especificada en términos de variaciones de voltaje de
entrada, variaciones de temperatura y variaciones de carga.
- Ruido: Ruido eléctrico son señales eléctricas indeseadas que causan efectos
indeseados en circuitos de control que las trasiegan (a lo largo de este
documento se tratará de que con sistemas de control se incluya toda la gama de
equipo electrónico sensible).
- Ruido de modo común: Es el ruido en voltaje que aparece por igual y en fase
entre cada uno de los conductores portadores de corriente y tierra.
- Ruido de modo diferencial: Señales de ruido que son medibles solo entre
conductores portadores de corriente, pero no entre un conductor portador de
corriente y tierra o entre un conductor portador de corriente y una estructura de
señal de referencia.
- Sag: Una disminución en el valor rms del voltaje ac, a frecuencia nominal, cuya
duración va desde medio ciclo de la onda de voltaje hasta unos varios segundos.
47
En la figura 2.18 se muestra una toma de osciloscopio de este tipo de
perturbación.
Figura 2.18: Onda senoidal afectada por una perturbación sag, [IEEE Std. 1100,
Emerald Book].
- Slew Rate: Tasa de cambio de la frecuencia del voltaje ac.
- Sobretensión: Un incremento en el valor rms del voltaje ac a la frecuencia
nominal, para duraciones mayores a unos varios segundos.
- Surge: Una perturbación con duración menor a un ciclo (usualmente no más de
medio ciclo) caracterizada por veloces y afiladas discontinuidades en la forma
de onda de corriente o voltaje ac, de aportes a favor del sentido de la onda en
cuestión.
48
- Swell: Incremento en el valor rms del voltaje ac, a la frecuencia nominal, con
duración que oscila entre medio ciclo y varios segundos. En 2.19 se muestra una
captura de osciloscopio de esta perturbación sobre una onda senoidal de voltaje.
Figura 2.19: Onda senoidal afectada por una perturbación swell, [IEEE Std. 1100,
Emerald Book].
- Tester de circuito de receptáculo: Dispositivo que mediante un patrón de luces
puede llegar a indicar errores en el cableado de los receptáculos. Estos
dispositivos tienen ciertas limitaciones, y es por ello que, aunque puede
confiarse cuando indique errores de cableado, no puede se puede confiar en una
indicación de cableado correcto.
49
- Tester de impedancia de tierra: Instrumento multifuncional diseñado para
detectar ciertos tipos de problemas en cableado y aterrizamiento en sistemas de
distribución de bajo voltaje.
- Tiempo de recuperación: Intervalo de tiempo necesario para que el voltaje o
corriente de salida puede volver a los límites definidos de regulación. También
se le conoce como el tiempo que se tarda en que un sistema vuelva a entrar en
operación luego de una interrupción o dropout.
- Tiempo de transferencia: Tiempo que se toma un fuente ininterrumpida de
potencia (UPS) en transferir una carga crítica de la salida del invertir (circuito
con función opuesta a un rectificador de voltaje de ac) a la fuente de ac o
viceversa.
- Tierra: Conexión conductora, intencional ó no intencional, por la cual un
circuito ó equipo es conectado a tierra.
- Tierra aislada de equipos: Conductor de tierra con aislamiento de un equipo, que
viaja a lo largo de la canaleta o tubería por la viajan los conductores portadores
de corriente. Este conductor está aislado de la canaleta o tubería metálica y de
cualquier contacto a tierra a lo largo de toda su extensión. Se inicia en un
receptáculo de tierra ó en un bloque terminal de entrada de equipo y termina en
el punto en el que se une el conductor del electrodo de tierra y el neutro en la
fuente de potencia.
50
- Transitorio: Una perturbación con duración menor a un ciclo (usualmente no
más de medio ciclo) caracterizada por veloces y afiladas discontinuidades en la
forma de onda. Puede ser de cualquiera de las dos polaridades, y puede ser
aditiva o sustractiva a la forma de onda nominal.
- Unión: Interconexión eléctrica entre partes conductivas, con el fin de mantener
ambas a un mismo potencial eléctrico. También se le denomina así a la unión
permanente de partes metálicas para formar un camino eléctricamente
conductivo que asegurará continuidad y con la capacidad de poder conducir de
manera segura cualquier corriente que pueda llegar a conducir.
- Ventana de tierra: Área por la que todos los conductores de tierra, incluyendo
canaletas metálicas, entran a un área específica. Es utilizada con frecuencia en
sistemas de telecomunicaciones para interconectar el sistema de tierras del
edifico con áreas que, en ausencia de esta ventana, no podrían tener conexión
alguna con tierra.
- Voltaje de recuperación: Voltaje en terminales de un polo que funge como
dispositivo interruptivo en el instante en que se interrumpe la corriente.
- Voltaje dropout: Voltaje en el cual el dispositivo en cuestión deja de operar.
51
CAPÍTULO 3: Fundamentos Físicos.
Una operación exitosa y confiable de los dispositivos electrónicos sensibles requiere
de un conocimiento riguroso de los fundamentos físicos relativos a todo su entorno. Este
capítulo da un repaso a los conceptos fundamentales apropiados, con el fin de establecer
una perspectiva adecuada acerca de cómo es que estos dispositivos operan desde el punto
de vista energético y a cómo detectar sus modos de falla respectivos. Este enfoque a los
fundamentos se hace con el objetivo de preparar el terreno para lo que es el capítulo 5 cuyo
título es Prácticas Recomendadas de Instalación/Diseño.
Dado que las áreas de electrónica y telecomunicaciones cambian vertiginosamente
día a día, y no resulta tarea sencilla o a veces hasta realizable para un mismo diseñador el
dominar estos temas y los concernientes a diseño de protecciones y otros aspectos, se
propone mediante este capítulo como uno de sus objetivos el dejar una base de los temas a
tratar en común entre estas ramas de la Ingeniería Eléctrica.
Este capítulo se dividirá en 5 secciones, a saber:
i) Consideraciones de Impedancia: Se discutirán los aspectos físicos que rigen
el comportamiento de la impedancia de la carga a proteger, sin embargo,
para poder estudiar esta carga completa se deberá analizar la impedancia
total que la abarca, esto es, la impedancia del suministro de potencia, la
impedancia del sistema de distribución y por último, la impedancia de la
propia carga.
ii) Perturbaciones en el nivel de voltaje del Proveedor de Servicios Eléctricos:
El hecho de poder conocer la continuidad del suministro de energía eléctrica
ininterrumpido y la posibilidad de saber los efectos que tiene la cercanía o
lejanía de estructuras provistas de servicio eléctrico respecto a ubicaciones
en las cuales segmentos de la estructura eléctrica del Proveedor de Servicios
se ve expuesta con cierta frecuencia a rayerías o a descargas atmosféricas
nube a tierra y/o viceversa, permite llegar a conocer el comportamiento del
voltaje y corriente de entrada a lo largo del tiempo y cuáles de todos los
tipos de transitorios analizados en el capítulo anterior padecen los
suscriptores debido a las circunstancias tratadas en la sección 3.2.
iii) Interacciones entre la fuente de potencia y la carga: Las interacciones entre
la fuente de potencia, la carga y el entorno, casi siempre tiene como
desenlace transitorios de corta duración. Cómo se dan estas interacciones,
que tipo de imperfección en el voltaje y corriente de suministro producen y
los efectos de estos sobre las cargas electrónicas sensibles son el motivo de
estudio de esta sección.
iv) Medio correctivos: Se mencionarán varios medios para colaborar en corregir
las variaciones de voltaje y corriente mencionadas en las subsecciones
previas.
v) Surges de voltaje: Los surges de voltaje son transitorios subcíclicos de
voltaje. Estos son un tema de consentimiento de los dispositivos electrónicos
sensibles. Se ha documentado que tan solo transitorios de voltaje de baja
amplitud han ocasionado interrupción del flujo de datos y pérdida de los
mismos [IEEE Emerald Book]
3.1 Consideraciones de Impedancia
El entendimiento de la impedancia de la impedancia eléctrica es fundamental a la
hora del diseño de sistemas de potencia para equipo electrónico sensible. La impedancia
neta del sistema pude ser dividida en tres distintos tipos de impedancia: impedancia de la
fuente, impedancia del sistema de transmisión y la impedancia de la carga. Además de esas
tres divisiones se debe tener en cuenta que la impedancia está sujeta a la frecuencia.
3.1.1 Frecuencias de interés
Las frecuencias de interés para el diseño de sistemas de potencia para equipos
electrónicos sensibles van desde el nivel DC hasta varias decenas de megahertz. Este
intervalo puede ser conceptualizado en dos rangos distintos de frecuencia: rango de
potencia/seguridad y el rango de funcionamiento.
3.1.1.1 Rango de potencia/seguridad
El rango de potencia/seguridad abarca el intervalo que va desde la frecuencia DC
hasta varias decenas de harmónicas por encima de la frecuencia de potencia nominal. EN
este intervalo los circuitos a analizar pueden ser modelados sin perder rigurosidad mediante
modelos de parámetros concentrados, resistivos, inductivos y capacitivos. Los diseñadores
de sistemas de potencia comerciales e industriales están generalmente familiarizados con
los estándares de diseño a esta categoría de frecuencia, por ejemplo, el NEC está en este
intervalo de frecuencias en las prácticas de diseño que recomienda. [IEEE Emerald Book].
3.1.1.2 Rango de funcionamiento
El rango de funcionamiento opera frecuencias que van desde el nivel DC hasta
varias decenas de megahertz. El nivel superior de ese intervalo es ocupado por el campo de
ingeniería de radio. Además, es de resaltar el nombre rango de funcionamiento, pues el
término es utilizado para denotar que la energía electromagnética emitida y conducida (en
el intervalo de los de las decenas de kilohertz a las decenas de megahertz) puede impactar
significativamente el desempeño operacional de equipo electrónico sensible. Las
impedancias en este intervalo se modelan como elementos pasivos lineales mediante
modelos de parámetros distribuidos.
3.1.2 Impedancia de la fuente de potencia
Es indispensable para un conocimiento riguroso de la característica de la
impedancia de fuente de potencia para comprender las interacciones existentes entre carga
crítica y fuente de potencia. Se define como impedancia de fuente a la proporción
diferencial entre el voltaje de entrada al sistema y la corriente entregada a este, tal como lo
indica la ecuación 2.1-1.
(2.1-1)
La impedancia de fuente puede ser delimitada como tres tipos, a saber: impedancia
interna, impedancia de transferencia avante e impedancia de salida o de transferencia
reversa.
3.1.2.1 Impedancia Interna
Se llama impedancia interna a la impedancia de la fuente a frecuencia nominal de
diseño. Por ejemplo, la impedancia interna de un transformador se mide en porcentajes de
la impedancia nominal interna (%Z), y dicha impedancia interna total se mide como el
cociente del voltaje de entrada necesario para inducir en el secundario en condición de
cortocircuito la corriente nominal entre el voltaje nominal de entrada.
Usualmente en materia de transformadores esta impedancia de entrada, en datos de
placa corresponde a 3% hasta 6% a la frecuencia nominal. Por ejemplo, una impedancia
interna de 5% quiere decir que el transformador es capaz de trasegar en cortocircuito del
secundario unas 20 veces su corriente nominal. Es por tanto deseable una baja impedancia
de entrada para que ante variaciones normales de corriente se perciba poca variación del
voltaje de entrada, sin embargo, muy bajas impedancias de entrada pueden conllevar a
corrientes de cortocircuito excesivas que involucrarían cortacircuitos y fusibles
recortadores de corriente especialmente diseñados para tales condiciones de falla.
3.1.2.2 Impedancia de transferencia avante
La impedancia de transferencia avante es un atributo similar a la impedancia interna
de una fuente de potencia, la diferencia radica en el rango de frecuencia para las que aplica,
en este caso es un intervalo de frecuencias ajeno a la nominal. El conocimiento de la
impedancia de transferencia avante le permite al diseñador el evaluar la capacidad que tiene
la fuente de potencia de entregar un corriente de carga a frecuencias harmónicas sin tener
mucha perturbación de la forma de onda de voltaje de entrada. Con normalidad la
frecuencia de interés más alta en los sistemas de potencia de 50 – 60 Hz es de 3 kHz,
mientras que el rango de frecuencias más altas de interés en un sistema de potencia de 400
Hz es de 20 – 25 kHz.
Un método común para medir la impedancia de transferencia avante, en por ejemplo
filtros y transformadores, es tomar el cociente entre la señal de voltaje aplicada y la
corriente de cortocircuito que este produce. [IEEE Emerald Book].
Como es de esperarse, la impedancia de transferencia avante se incrementa
conforme se incrementa la frecuencia de operación del sistema, esto debido al efecto piel
que dicta que conforme se aumenta la frecuencia los electrones tienden a dejar de viajar en
una distribución uniforme y más bien viajan cada vez más próximos al contorno del
conductor, con esto hay más roces entre el aislamiento y los electrones y con esto una
incrementable tasa de calor. Lo más ideal es tener una baja impedancia de transferencia
avante para la frecuencia nominal y sus bajas harmónicas (habitualmente hasta la número
50) [IEEE Emerald Book]. Para el caso de frecuencia harmónicas de mayor orden, es
deseable tener una impedancia de transferencia avante mayor para poder atenuar corrientes
debidas a componentes altos de frecuencia.
3.1.2.3 Impedancia de salida (Impedancia de transferencia reversa)
El atributo de impedancia de salida es similar al de impedancia de transferencia
avante, la diferencia radica en que en este caso esta es la impedancia que percibe la carga.
Es habitual que cargas no lineales como lo son los equipos electrónicos sensibles,
produzcan corrientes transitorias que fluyen hacia la fuente, ocasionando con esto caídas de
tensión en la impedancia de salida, dichas caídas pueden ser positivas o bien negativas, en
cualquier caso son una perturbación al voltaje de salida, razón por la cual a estas
frecuencias harmónicas se debe tener una baja impedancia de salida. En el caso de
frecuencias harmónicas altas más bien se desea tener una alta impedancia de salida que
pueda filtrar estos componentes de alta frecuencia antes de que alcancen a llegar a la carga.
Habitualmente a mayor frecuencia mayor impedancia de salida, sin embargo, debido a que
a estas frecuencias tan altas como ya se comentó antes los circuitos de potencia se modelan
como sistemas de parámetros distribuidos, así se tienen capacitancias distribuidas que
pueden llegar a ocasionar resonancia a esas frecuencias y con eso reducir
considerablemente la impedancia de salida, por ende, se atenúa considerablemente el filtro
que se pretendía tener para altas frecuencias.
Una medida sensata para disminuir los efectos del reflejo de capacitancias del
primario al secundario es aplicar técnicas de blindaje. Esta técnica es aplicada en
transformadores, así como también se aplica el uso de capacitores adicionales y filtros que
si bien pueden atenuar los efectos de harmónicas de mayor orden, pueden resultar en un
elemento de doble filo, pues si se utilizan capacitores en paralelo (shunt, los cuales son muy
utilizados) pueden estos llegar a elevar el voltaje de señal de referencia, por lo que se
tendría una referencia flotante, y esto a todas luces no es nada bueno.
Este tipo de capacitancias e inductancias distribuidas, acompañadas de conmutación
de equipo electromecánico conlleva con frecuencia a obtener transitorios eléctricos rápidos,
o bien ráfagas EFT, como lo muestra la figura 3.1.
Figura 3.1: Ráfaga EFT producida por conmutación de equipo electromecánico,
[IEEE Std. 1100, Emerald Book].
3.1.3 Impedancia del sistema de distribución de corriente alterna
La impedancia de los sistemas eléctricos locales de distribución de corriente alterna
suelen ser inductivo-resistivos a las frecuencias de interés (60 – 3000 Hz) y
predominantemente inductivo-capacitivo para altas frecuencias (superiores a 1 MHz).
Si bien es cierto la impedancia de la acometida y de los circuitos ramales varían en
función de su longitud, la frecuencia de operación e inclusive la carga que tienen conectada,
en la figura 3.2 se muestra una gráfica de cómo varía ésta en función de la frecuencia. En la
figura 3.2 puede apreciarse que la impedancia a la mitad de la región lineal es de 50 Ω, sin
embargo, a pesar de ser un buen punto de partido en condiciones de frecuencias alrededor
de los 100 kHz, esta dista mucho de ser el caso de un transitorio del tipo surge, razón por la
cual debe tenerse cuidado a la hora de manipular esta gráfica. Se muestra también en las
tablas 3.1 y 3.2, el comportamiento de la impedancia en función de la frecuencia y de la
longitud del cableado de casos bastante habituales de cableado de baja tensión, para los
circuitos ramales conductor AWG #4, mientras que para el caso de la acometida conductor
AWG #4/0. Con lo anterior lo que debe quedar claro es que puede utilizarse la distribución
del cableado de la acometida y de los circuitos ramales a favor de controlar los efectos de
ciertas frecuencias indeseadas, y con esto contribuir al propósito principal de este trabajo, el
cual es dar un sistema integrado de protecciones contra tensiones/corrientes transitorios, así
que cualquier herramienta para combatir estos efectos indeseados es de suma ayuda para el
objetivo principal del trabajo aquí escrito.
Figura 3.2: Impedancia de distribución de un circuito ramal típico de AC respecto a la
frecuencia (sin carga conectada), [IEEE Std. 1100, Emerald Book].
Tabla 3.1: Impedancia a altas frecuencias de un conductor #4 AWG (25 )
suspendido en el aire, [IEEE Std C.62.41-2].
Longitud L (> 1 MHz)
1 MHz 10 MHz 10 MHz
Rf w*L Rf w*L Rf w*L
3 m (10 pies) 4 µH 0.05 Ω 26 Ω 0.15 Ω 260 Ω 0.5 Ω 2.60 kΩ
6 m (20 pies) 9 µH 0.1 Ω 57 Ω 0.3 Ω 570 Ω 1.0 Ω 5.70 kΩ
12 m (40 pies) 20 µH 0.2 Ω 125 Ω 0.6 Ω 1.25 kΩ 2.0 Ω 12.5 kΩ
18 m (60 pies) 31 µH 0.3 Ω 197 Ω 0.9 Ω 1.97 kΩ 3.0 Ω 19.7 jkΩ
30 m (100 pies) 55 µH 0.5 Ω 350 Ω 1.5 Ω 3.50 kΩ 5.0 Ω 35.0 kΩ
Tabla 3.2: Impedancia a altas frecuencias de un conductor #4/0 AWG (107 )
suspendido en el aire, [IEEE Std C.62.41-2].
Longitud L (> 1 MHz)
1 MHz 10 MHz 10 MHz
Rf w*L Rf w*L Rf w*L
3 m (10 pies) 3.6 µH 0.022 Ω 23 Ω 0.07 Ω 230 Ω 0.22 Ω 2.30 kΩ
6 m (20 pies) 8 µH 0.044 Ω 51 Ω 0.14 Ω 510 Ω 0.44 Ω 5.10 kΩ
12 m (40 pies) 18 µH 0.088 Ω 113 Ω 0.28 Ω 1.13 kΩ 0.88 Ω 11.3 kΩ
18 m (60 pies) 28 µH 0.132 Ω 176 Ω 0.42 Ω 1.76 kΩ 1.32 Ω 17.6 kΩ
30 m (100 pies) 50 µH 0.220 Ω 314 Ω 0.70 Ω 3.14 kΩ 2.20 Ω 31.4 kΩ
3.1.4 Impedancia de carga
Un adentramiento a los distintos tipos de carga que se pueden eventualmente llegar
a manejar es de gran ayuda para conocer datos como a qué frecuencia es más susceptible a
presentar baja o alta impedancia, a qué frecuencias pueden haber problemas de resonancia,
entre otras razones válidas.
La primera carga que se va a exponer muy brevemente es la más elemental de todas,
la resistencia ideal, cuya relación de tensión-corriente es lineal, ambas son directamente
proporcionales entre ellas. La relación gráfica entre ellas se muestra en la figura 3.3.
Figura 3.3: Respuesta en frecuencia de la impedancia de una resistencia, [IEEE Std.
1100, Emerald Book].
Como puede apreciarse de la figura 3.3, la impedancia de una resistencia es
independiente de la frecuencia.
En la figura 3.4 se muestra la respuesta en frecuencia de la impedancia de una
autoinductancia ideal.
Figura 3.4: Respuesta en frecuencia de la impedancia de una autoinductancia, [IEEE
Std. 1100, Emerald Book].
Como puede apreciarse de la figura 3.4, la impedancia de una autoinductancia varía
linealmente con la frecuencia, la pendiente de dicha recta es el valor de la autoinductancia.
La respuesta en frecuencia de la impedancia de un capacitor es tal como lo indica la
figura 3.5.
Figura 3.5: Respuesta en frecuencia de la impedancia de un capacitor, [IEEE Std.
1100, Emerald Book].
Como es notable en la figura 3.5 la respuesta en frecuencia de la impedancia de un
capacitor es de forma hiperbólica.
3.1.4.1 Aspectos de resonancia
Aunque parezca en primera instancia, si se percibe que la frecuencia de operación
de los sistemas son usualmente bajos, y la primera noción que se tiene de frecuencias de
resonancia en circuitos eléctricos son de frecuencias altas en el espectro de radio, entonces,
en apariencia analizar el caso de resonancia pareciera ser una inversión de tiempo no muy
buena, sin embargo, a la hora de conectar equipo electrónico sensible, computadoras,
lectores de DVD, consolas de videojuego, televisores de pantalla plana, bancos de
capacitores entrando a la red, conmutación de transformadores, conmutación de equipo
electromecánico, entonces se verá que, así como la conmutación de equipo reactivo, como
transformadores y bancos de capacitores producen reacciones en los rangos de las centenas
de kilohertz, o como bien se les conoce frecuencias ring, y la conmutación de equipo
electromecánico produce ráfagas EFT de bajísimo tiempo de subida (en el orden de
nanosegundos) y de periodo entre ráfagas de 300 ms, entonces comienza a ser algo bastante
factible el acceder a frecuencias de resonancia en circuitos domésticos e industriales.
Adicional a la información anterior, los sistemas de potencia tienden a entrar en las
frecuencias de resonancia de circuitos domésticos e industriales. [IEEE Emerald Book].
Datan dos tipos de resonancia, en serie y en paralelo, la primera causa una altísima
entrega de corriente por parte de la fuente, mientras que la segunda provoca una gran
elevación de la impedancia, al punto de entrar en riesgo de arco eléctrico.
3.1.4.2 Resonancia serie
Un circuito RLC típico que puede presentarse en un sistema de potencia es la
combinación serie de la inductancia de la línea de transmisión o del transformador
encargado de suplir a una serie de cargas o a una carga específica, la resistencia de la línea,
y la capacitancia de un banco de capacitores ubicados para mejorar el factor de potencia de
una edificación consumidora activa de potencia reactiva.
En el instante de resonancia de este tipo de cargas, se anulan la reactancia inductiva
y la capacitiva, disminuyendo en buena medida el valor absoluto de la impedancia en
cuestión, con esto se da una gran demanda de corriente.
En la figura 3.6 puede apreciarse la respuesta en frecuencia de la impedancia de un
circuito RLC y de otras combinaciones más, dando buen enfoque al instante de resonancia.
Figura 3.6: Respuesta en frecuencia de la impedancia de varias cargas, con énfasis en
resonancia, [IEEE Std. 1100, Emerald Book].
3.1.4.3 Resonancia Paralela
Circuitos paralelos habituales los hay comúnmente, por ejemplo, los circuitos
tanque que son tan comunes en los sistemas de distribución de corriente alterna. Un circuito
resonante paralelo se obtiene al excitar dicho circuito tanque mediante una entrada a la
frecuencia de resonancia.
A la hora de que la entrada al circuito tanque sea a la frecuencia resonante del
mismo lo que se obtendrá es que se anulan las componentes de reactancia inductiva con la
capacitiva, a la hora de analizar la impedancia equivalente lo que va a ocurrir es que estas
impedancias anuladas entre ellas dispararan hacia arriba la impedancia de carga que percibe
la fuente, como resultado se va a tener prácticamente un circuito abierto, y cualquier otro
circuito conectado a este mismo puede desde interrumpir su operación hasta hacer que falle
el aislamiento de los conductores y provocar que el aire alrededor del conductor se ionice
provocando así un arco en caso de que no existan en la red las protecciones adecuadas.
La figura 3.7 muestra la respuesta en frecuencia de la admitancia del circuito RLC
paralelo, con énfasis a la frecuencia de resonancia.
Figura 3.7: Respuesta en frecuencia de la admitancia de varias cargas, con énfasis en
la frecuencia de resonancia, [IEEE Std. 1100, Emerald Book].
Así las cosas, en un circuito serie, el efecto de la resonancia se manifiesta mediante
altas corrientes que oscilan entre la fuente y la carga, mientras que en un circuito paralelo,
la manifestación de la frecuencia de resonancia son altos voltajes impresos a la fuente y a la
carga.
3.1.4.3 Efectos de autoresonancia en los conductores
En los conductores se presenta un fenómeno bastante particular, estos no pueden ser
modelados mediante circuitos de parámetros concentrados, sino solo como circuitos de
parámetros distribuidos, bajo esta característica el circuito actúa como una antena que pasa
desapercibida, esto, por raro que parezca, tiene el particular efecto de hacer que el circuito
entre en resonancia no solo a su frecuencia de resonancia, sino que además ocurrirá un
fenómeno de autoresonancia cuando la longitud del conductor es un múltiplo impar de un
cuarto de la longitud de onda del voltaje que se le imprime. Si bien es cierto, este efecto de
autoresonancia no suele atacar sistemas de distribución y circuitos ramales, si suele atacar
conductores a tierra.
En la ecuación 3.1-1 se indica la relación existente entre la longitud del conductor,
la longitud de la onda impresa y la frecuencia de resonancia.
(3.1-1)
Para la ecuación 3.1-1 se tiene que n indica los múltiplos, puede tomar el valor de
cualquier número entero impar, la constante c sería la velocidad de la luz, 3 * m/s, la
frecuencia de resonancia es ella misma y el cociente indicado en dicha ecuación
corresponde a la serie de longitudes de conductores que deben evitarse para no entrar en
condiciones de autoresonancia.
En la práctica, se recomienda solamente tomar en cuenta la frecuencia más baja a la
cual el conductor entraría en resonancia (n = 1) [IEEE Emerald Book]. Así las cosas, los
conductores de aterrizamiento deben ser elegidos de manera tal que su longitud no se
aproxime a las condiciones de resonancia de cuarto de onda de resonancia o de alguno de
sus múltiplos, pues puede ser probable que se le imprima una onda de voltaje con ruido que
puede llegar a tener un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia de resonancia y en ese
entonces entraría en condiciones de resonancia. Con una diferencia del 20% de longitud
respecto a la longitud de resonancia se considera suficiente para estar fuere de ese peligro.
[IEEE Emerald Book].
3.2 Perturbaciones en el nivel de voltaje del Proveedor de Servicios
Eléctricos
La calidad (continuidad y pureza) de la energía entregada por el proveedor de
servicios eléctricos es siempre un factor a tomar en cuenta para la temática de transitorios
de voltaje y corriente, sean estos sobretensiones, bajos voltajes, swells, sags o surges.
Es recomendable que hogares o industrias poseedoras de equipo electrónico
sensible se pongan de acuerdo con la compañía proveedora de servicios eléctricos para
conocer la información regional de la continuidad, al menos, del servicio eléctrico local, y a
partir de ahí que el poseedor del equipo ponga en marcha una serie de medidas que puedan
garantizar una buena probabilidad de operación sin daños el equipo electrónico sensible a
lo largo de un buen recorrido de tiempo, llámese varios años. En este trabajo, más adelante
se dará a conocer una propuesta conformada por una serie de medidas para hacerle frente a
transitorios de voltaje y corriente evadiendo con buena probabilidad pérdidas de equipo.
3.3 Interacciones entre componentes del sistema eléctrico, y entre éste con
el entorno
Usualmente, las interacciones entre la fuente de potencia, el entorno y la carga, dan
como resultado perturbaciones transitorias, o bien, distorsiones permanentes en la forma de
onda entregada, y así perturbaciones o distorsiones estables en la corrientes entregadas a las
cargas.
Las tablas 3.2, 3.3 y 3.4, muestran las interacciones más usuales y sus
características, y sus repercusiones en voltaje, corriente y frecuencia, respectivamente.
Tabla 3.3: Fuentes/Características de variaciones típicas de voltaje por interacciones
entre los componentes y el entorno del Sistema de Potencia, [IEEE Std C.62.41-2].
Tipo de Transitorio de Voltaje
Rango típico Inmunidad típica de cargas electrónicas
Normal Crítico Unidades afectadas, comentarios
Sobre/Baja Tensión 6%(+), 13%(-) 10% (+), 15% (-) 5% (+/-)
Fuentes, capacitores, motores. Sobrecalentamiento de componentes y alteración de datos
Swells/Sags 10%(+), 15%(-) 20% (+), 30% (-) 5% (+/-) Lo mismo que arriba.
Transitorios, impulsos & oscilaciones, en líneas de potencia
Variación: 100 - 6000 V
Varía 500 - 1500 V Varía 200 - 500 V
Apertura de dieléctrico, sobre-estrés de voltaje. Falla de componentes, y alteración de datos.
Transitorios, impulsos & oscilaciones, en líneas de señales
Variación: 100 - 6000 V
Varía 50 - 300 V Varía 15 - 50 V
Lo mismo que arriba.
ESD < 45 kV 1000 - 1500 V
Varía considerablemente 200 - 500 V
Varía considerablemente 15 - 50 V
Circuitos de señales. Apertura de dieléctrico, sobre-estrés de voltaje. Falla de componentes, y alteración de datos. Cambios rápidos del voltaje de referencia.
RFI/EMI (Conducida) (normal y modo común)
10 V hasta 200 kHz, menos a >20 kHz
Varía considerablemente, 3V típico
Varía considerablemente, 0.3V típico
Circuitos de señales. Alteración de datos. Cambios rápidos del voltaje de señal de referencia.
RFI/EMI (Irradiada) < 50 kV/m, < 200 kHz < 1.5 kV/m, < 200 kHz
Varía considerablemente con blindaje
Varía considerablemente con blindaje 3 - 5 %
Lo mismo que arriba.
Distorsión de Voltaje (senoidal)
5 - 50 % THD 5 - 10 % 3 - 5 %
Reguladores de voltaje, filtros capacitivos, circuitos de señales, bancos de capacitores. Sobrecalentamiento, baja carga.
Fases Desbalanceadas
2 - 10 % 5% máximo 3% máximo Rectificadores polifásicos, motores. Sobrecalentamiento.
Tabla 3.4: Fuentes/Características de variaciones típicas de corriente por
interacciones entre los componentes y el entorno del Sistema de Potencia, [IEEE Std
C.62.41-2].
Parámetros de Corriente
Rango típico de corriente de carga
Susceptibilidad típica de fuentes de potencia
Normal Crítica Unidades afectadas y
comentarios
Factor de Potencia 0.85 - 0.6 atraso 0.8 atraso < 0.6 atraso o < 0.9 adelanto
Reducción de potencia de la fuente, o mayor capacidad
en detrimento de su eficiencia
Factor de Cresta 1.4 - 2.5 1.0 - 2.5 > 2.5
1.4142 normal; impacta la impedancia a la tercera y
superiores harmónicas (3 - 6 % Z), distorsión de la forma
de onda de voltaje
Distorsión de Corriente 0 - 10 % tiempo total 5 - 10 % total
0 - 5 más largo
5% máximo total, 3% más
largo
Reguladores, circuitos de potencia. Sobrecalentamiento
Corriente DC Despreciable al 5% o más < 1% Lo más bajo es
0.5%
Cargas de rectificador de media onda pueden saturar algunas fuentes de potencia,
y disparo de breakers de circuitos
Corriente de Tierra 0 - 10 A rms + ruido &
corrientes surge > 0.5 A < 0.1 A
Pueden disparar GFCI, causar cambios rápidos en la señal
de referencia
Tabla 3.5: Fuentes/Características de variaciones típicas de frecuencia por
interacciones entre los componentes y el entorno del Sistema de Potencia, [IEEE Std
C.62.41-2].
Parámetro de frecuencia
Rango típico de fuentes de potencia
Inmunidad típica de cargas electrónicas
Normal Crítico Unidades afectadas y
comentarios
Frecuencia de línea 1% (+/-) 1% (+/-) 0.5% (+/-) Contadores de cruce por
cero
Rango de variación de frecuencias
1.5 Hz/s 1.5 Hz/s 0.3 Hz/s Circuitos sincronizadores
de fase
A continuación se va a hacer un breve análisis que abarca cinco segmentos:
fuentes/características de transitorios de voltaje, impactos potenciales de los mismos,
fuentes/características de distorsiones de voltaje en régimen permanente, los impactos
potenciales de estas últimas y métodos correctivos.
3.3.1 Fuentes/Características de transitorios de voltaje
En esta sección se tratarán las fuentes más habituales de generación de transitorios
de voltaje, donde los transitorios de voltaje que se consideran son aquellos que provocan
distorsión (forma no sinusoidal) de la forma de onda de voltaje en la frecuencia nominal.
Como la palabra transitorio lo indica, estas variaciones de la forma de onda de voltaje de
los circuitos de interés tiende a decaer rápidamente con el tiempo.
Cambios en la carga y eventos de conmutación son por gran mayoría, los eventos
que tienen mayor incidencia en ocasionar transitorios de voltaje que ocurren entre equipo
electrónico sensible y la fuente que los alimenta. A seguir, una lista con una breve
descripción de fuentes/características de transitorios de voltaje.
3.3.1.1 Paso de cargas (Entrada/Salida de cargas)
El paso de cargas es una de las fuentes más comunes de perturbaciones de voltaje.
En simples términos, el efecto transitorio que el paso de cargas produce, es el aumento o
disminución de corriente de carga, que derivará en una variación en la caída de voltaje de la
ya previamente analizada impedancia de la fuente de potencia, y que causará,
momentáneamente que la tensión en terminales de las cargas se mueva por corta duración,
hasta que vuelvan a estabilizarse en su punto habitual, usualmente esta regulación la lleva a
cabo reguladores de voltaje, valga la redundancia, cuya respuesta correctiva no es
inmediata, sino que, como todo sistema, tiene un retardo de transporte.
3.3.1.2 Corrientes inrush (Motores, Filtros LC de línea y fuentes de potencia
ininterrumpidas (UPS))
Las corrientes de arranque son habitualmente halladas en equipo electrónico
sensible, como a la hora de iniciar un motor, una UPS o filtros LC pasa bajos de línea.
Las corrientes inrush de un motor son equivalentes prácticamente a las corrientes de
rotor bloqueado. Dichas corrientes suelen ser de entre 5 a 7 veces la corriente de operación
nominal. Además la duración de las mismas suele ir de entre 0.3s a 3s, hasta decaer en los
valores de régimen permanente, dependiendo del tiempo de aceleración del rotor.
La energización inicial de un transformador requiere corrientes de arranque de entre
10 y hasta 20 veces el valor nominal de corriente, esto debido a que se debe magnetizar los
núcleos de la máquina estacionaria. La amplitud de las corrientes dependerá en buena
medida en la imantación remanente de los núcleos, así como también la fase en la que
inicia el voltaje impreso al transformador.
La carga inicial de un capacitor (banco de capacitores) requiere también de un alto
nivel de corriente de arranque, pues debe empezarse desde cero la energización del
condensador eléctrico. Así también los rectificadores con capacitor de rizado tienen este
mismo síntoma.
3.3.1.3 Corrientes de falla
Las corrientes de falla son un caso extremo de flujo de corriente transitoria, y por
ende, de una variación extrema de la forma de onda de voltaje en cuestión. Es de valor
determinante la magnitud de la impedancia de la fuente, pues esto puede mitigar un poco
los elevados valores de corriente que se puede entregar a las cargas. Como consecuencia, se
producen bajas tensiones nada despreciables hasta que la falla sea corregida. Dado lo
anterior, algunas veces, condiciones de falla no deparan en grandes corrientes de falla, pero
si en aportes en altos harmónicos de voltaje de gran amplitud. Como medida preventiva, las
fuentes de potencia sólidamente aterrizadas tienden a minimizar este tipo de fallas.
3.3.1.4 Interacciones de los reguladores de voltaje
Dado que, como lo dice la definición propia de la electrónica, los dispositivos
propios del estudio de esta rama son aquellos en los que se puede controlar dirección y/o
magnitud de la corriente, así las cosas, diodos, transistores, tiristores, y cualquier
dispositivo semiconductor (sea discreto o monolítico o híbrido) tiene la capacidad de al
menos poder regular el sentido del flujo de corriente.
Así las cosas, se debe garantizar una sola polaridad, pues de lo contrario, la
corriente vendrá en sentido opuesto y terminar por dañar la electrónica dentro de los
dispositivos integrados o discretos en cuestión. Para asegurar esto, y además, dado que la
aplastante mayoría de electrónica de hoy en día es digital, se debe con aún más razón tener,
por cada dispositivo electrónico sensible, al menos un regulador de voltaje, que garantice
que nunca, al menos con una probabilidad bastante baja, se va a atravesar la banda de
operación errática de los dispositivos digitales, esto es la banda entre un 0 digital y un 1
digital.
Sin embargo, si el dispositivo rectificador está pobremente elaborada en lo que
respuesta en frecuencia estando en interacción con la fuente de potencia, es prácticamente
un hecho que este dispositivo regulador tenderá a incrementar la amplitud de la variación
de voltaje transitoria, en el momento en el que se dé, o peor aún, tender a desestabilizar el
sistema en cuestión de forma que la respuesta será marginalmente estable (respuesta
oscilatoria) a la entrada de la carga que debía regular.
3.3.2 Impactos Potenciales de las perturbaciones transitorias de voltaje
Los transitorios de voltajes impactan considerablemente tanto a los equipos
electrónicos sensibles, como al sistema de potencia que los alimenta. Este impacto lo
causan las variaciones de voltaje y los aportes harmónicos en las corrientes de suministro.
Los efectos más críticos de las tensiones transitorias se muestran a seguir.
3.3.2.1 Pérdida completa de la alimentación AC en equipo electrónico
Las altas corrientes inrush de motores y transformadores pueden llegar a rebasar los
límites de las curvas de disparos de circuitos de protección contra sobrecorrientes, lo que
puede llegar a disparar estas protecciones e impedir el flujo eléctrico a estas cargas y a
cualquier carga electrónica se le obligaría a abrirse ante la ausencia de corriente.
3.3.2.2 Variaciones de corta duración en el voltaje de suministro
Reducciones temporales en el voltaje de alimentación de cargas sensibles son
fenómenos particularmente ciertos y prácticamente que se cumplen a cabalidad para el
arranque de motores, transformadores y grandes cargas electrónicas sensibles, dando como
resultado un voltaje en terminales tipo sag (forma de onda de voltaje de disminuido valor
rms para una duración de entre medio ciclo hasta unos pocos segundos). La duración de
estos bajos voltajes pueden llegar a superar los tiempos de suministro de las fuentes de
suministro dc que pueden tener los equipos electrónicos sensibles, percibiendo en ese caso
al menos una onda sag de voltaje, y en el peor de los casos una interrupción (ausencia de
suministro eléctrico).
3.3.2.3 Alternación transitoria de fase debido a cambios en cargas reactivas
En equipo reactivo que conmuta dinámicamente se produce cambios dinámicos de
consideración en la corriente suministrada, y esto, puede deparar en desplazamientos en el
tiempo de la onda de la alimentación.
3.3.2.4 Alteración de datos
A pesar de que todas las causas recién mencionadas arriba pueda ser que en
apariencia no afecto el desempeño de cargas electrónicas sensibles, puede ser que,
inadvertidamente activen equipo interno y lo lleven a condición de error, por ejemplo algún
medidor de calidad de energía, es decir, puede llegarse a corromper la información
almacenada.
3.3.2.5 Variaciones de frecuencia
Cuando, por ejemplo, se está lejos de una zona urbana, o en algún lugar en los que
no hay aún un proveedor de electricidad, y se está utilizando un par motor-generador para
suministro eléctrico, al no estar conectado a una, técnicamente barra infinita de potencia, ya
la frecuencia de suministro no va a ser fija, es ahora función de la carga. Así las cosas, si se
varía la carga, entonces se variará la frecuencia, y esto tendrá como resultado un perjuicio
en las cargas conectadas a ese sistema, pues fueron diseñadas para tener un buen
desempeño, al menos eso se espera, para un frecuencia fija, sin embargo, en estas
condiciones esto no se cumple, y se va a tener una malversación de potencia suministrada
en detrimento de la eficiencia del equipo.
3.3.3 Fuentes/Características de distorsiones de voltaje en régimen permanente
En esta sección se comentará acerca de las dos fuentes más comunes de distorsiones
en voltaje y corriente en sistemas de potencia actuales: presencia de cargas no lineales y
presencia de equipo reactivo.
3.3.3.1 Cargas no lineales
El empleo de cargas no lineales es, evidentemente, una fuente de distorsión
permanente, es decir, mientras la carga esté en operación, ya por su naturaleza generará
corrientes harmónicas y con ellas ocasionará caídas de tensión debidas a corrientes
harmónicas en la impedancia de fuente (ya sea la interna o la avante). Él porque de esta
naturaleza no lineal es también muy sencillo de percibir, un ejemplo muy básico, un
rectificador de tensión AC/DC de entrada luego de un transformador reductor en una fuente
conmutada ya sea elevadora, reductora, inversora, etc, para la alimentación de por ejemplo
una computadora portátil. Dicho rectificador de tensión prácticamente siempre es con
puente de diodos, así, se pasa de tener una onda senoidal pura, con un solo componente en
la frecuencia fundamental, a una onda rectificada completa a los terminales del capacitor de
control de rizado, es decir, una onda distorsionada, que requiere de varios componentes en
frecuencia para poderla formar. Este caso para empezar, después casos diarios de cargas
que además de rectificadores poseen otros mecanismos de control de onda de tensión y de
corriente son por ejemplo todos los dispositivos que hacen control de potencia mediante el
mecanismo del ángulo de disparo, por ejemplo , el empleo de tiristores, práctica que a pesar
de estar casi extinta debido a la aparición de los transistores bipolares de compuerta aislada
(IGBT), los cuales poseen las virtudes de control por voltaje de los transistores FET y la
gran ganancia de corriente de salida de los transistores BJT. El mecanismo de ángulo de
disparo consiste en controlar la cantidad de potencia entregada a una carga mediante la
manipulación del valor cuadrático medio de la corriente entregada a la misma, esto es, se
manipula la forma de onda para manipular la potencia de alimentación de la carga.
3.3.3.2 Cargas reactivas
El empleo de cargas cuyo factor de potencia sea distinto de ocasionará certeramente
un valor distinto de 1 en el factor de potencia. Cargas con esta característica ocasionaran
variaciones en régimen permanente con respecto a las señales de alimentación del sistema
de potencia. Ejemplos de este tipo de distorsiones, son desplazamientos de fase, por
ejemplo, la corriente que atraviesa un capacitor o un inductor tiene un adelanto o atraso,
respectivamente, en comparación con el voltaje que lo alimenta. Lo anterior a pesar de
seguir siendo una carga lineal, causa una falta de proporcionalidad directa entre el voltaje y
la corriente, razón por la cual es considerado como una distorsión, y además, como la
característica de un capacitor y de un inductor es la misma siempre, a menos que se llegue a
un límite de temperatura o algún otro límite constructivo, será la misma siempre, por lo
tanto se considera su sola presencia como motivo de distorsión permanente.
3.3.4 Impactos potenciales de distorsiones de corriente en régimen permanente
En esta sección se comentará acerca de los impactos potenciales de distorsiones
permanentes en las corrientes y voltajes del sistema de potencia, con fuentes como las
mencionadas en la sección 3.3.3. Los impactos que se analizan en esta sección son:
calentamiento en transformadores por corrientes harmónicas de eddy, sobrecorrientes
múltiplo impar de la tercera armónica generadas por la carga, resonancia debida a
corrientes harmónicas, calentamiento debido a fuentes de voltaje no senoidales, efectos
debidos a corrimiento de fase y variaciones subcíclicas en la forma de onda de voltaje.
3.3.4.1 Calentamiento en transformadores por corrientes harmónicas de eddy
Los transformadores que alimentan cargas no lineales (en su gran mayoría cargas
electrónicas) exhiben mayores pérdidas en los devanados debidos a corrientes de remolino
harmónicas generadas por las mismas cargas que estas alimentan. Como efecto inmediato
de esto se tiene reducción de potencia entregada por el transformador debido a que al haber
mayor calentamiento se aproxima cada vez más al límite de operación recomendado para el
transformador, además, al haber mayores pérdidas, hay una baja en la eficiencia.
3.3.4.2 Sobrecorrientes múltiplo impar de la tercera armónica generadas por la
carga
La alimentación de cargas no lineales produce corrientes y voltajes harmónicos, y
en sistemas trifásicos de 4 hilos, las corrientes múltiplo impares de la tercera harmónica
suelen adherirse algebraicamente a la corriente en el neutro ocasionando un calentamiento
excesivo del mismo que puede deparar en incendios [Emerald Book, 1992].
3.3.4.3 Resonancia debida a corrientes de carga harmónicas
La adhesión de cargas no lineales o reactivas al sistema de potencia ocasiona
corrientes armónicas que pueden, con tan mala suerte como ocurre con cierta frecuencia en
la realidad, llegar a alcanzar la frecuencia de resonancia, por ejemplo, agregar bancos de
capacitores para la corrección del factor de potencia, puede llegar a ocasionar una situación
de resonancia paralelo al modificar la respuesta en frecuencia de la impedancia en cuestión
y al introducir nuevas componentes harmónicas de corriente.
3.3.4.4 Calentamiento debido a fuentes no sinusoidales de voltaje
Las cargas no lineales ocasionaran corrientes no sinusoidales, y con ello
introducirán corrientes harmónicas al sistema de potencia. Estas corrientes harmónicas
ocasionaran en equipos como motores y transformadores, un sobrecalentamiento en sus
devanados. Esta energía adicional aportada por las corrientes armónicas es absorbida por
devanados del estator, circuitos del rotor y las láminas del estator y del rotor absorberán esa
potencia adicional mediante corrientes de eddy, efectos de histéresis y en una menor
medida por efecto piel [Emerald Book, 1992].
3.3.4.5 Efectos de desplazamiento de fase
La manipulación de cargas reactivas es infaliblemente fuente de factores de
potencia distintos de 1, a menos que se empleen métodos correctivos. El contar con factores
de potencia distintos de 1 conlleva a un uso menos eficiente de los recursos con los que se
cuentan, tanto energéticos como de maquinaria eléctrica. Además de cargas reactivas,
también las cargas no lineales son fuente de desplazamientos de fase.
3.3.4.6 Variaciones subcíclicas en la forma de onda de voltaje
Las cargas no lineales son fuente de corrientes armónicas, en un análisis temporal
esto se refleja como variaciones de gran amplitud en muy poco tiempo y con caigas
exponenciales o menos pronunciadas con tiempos de subida muy superiores a los tiempos
de bajada. Ahora bien, dichos picos de voltaje se traducen analíticamente en altos factores
cresta, lo cual, puede traducirse en recortes en la forma de onda de voltaje de suministro en
la vecindad de los picos de la onda, lo anterior puede ocasionar que las cargas electrónicas
sensibles no obtengan la plenitud de la corriente que requieren para su debido
funcionamiento. Así las cosas, lo que se tiene entonces es un pequeño sector de la forma de
onda de voltaje se ve modificado debido a las corrientes harmónicas introducidas al sistema
de potencia por las cargas electrónicas sensibles.
3.4 Medios correctivos
Algunas recomendaciones para atenuar los impactos transitorios y de régimen
permanente analizados en la sección 3.3 son las siguientes:
i) Caracterización de la carga(s) sensitiva(s).
ii) Caracterización de los equipos de interfaz (p.e. acondionadores de potencia).
iii) Caracterización del sistema de distribución de corriente alterna y de
aterrizamiento de la edificación.
iv) Caracterización de la fuente de potencia.
v) Caracterización del factor de potencia neto de la estructura.
3.5 Surges de Voltaje
Los surges son transitorios de voltaje y corriente que tienen como principales
características una altísima pendiente para el lapso de subida del transitorio (0.5µs para
Ring Wave, 1.2µs para Combination Wave O.C. y 8µs para Combination Wave S.C.), una
altísima amplitud (en el orden de la tercera potencia base 10) y una duración subcíclica
generalmente, a lo mucho de unos pocos segundos (10µs para Ring Wave, 50µs y 20µs
para Combination Wave O.C. y S.C. respectivamente). En esta sección se analizaran 6
aspectos acerca de los transitorios surges de voltaje:
i) Fuentes generales/Características de los surges.
ii) Mecanismos de acople.
iii) Interacción de los surges con cableado subterráneo.
iv) Interacción de los surges con cableado sobre-tierra.
v) Impactos potenciales de los surges.
vi) Frecuencia del surge de voltaje.
3.5.1 Fuentes generales/Características de los surges
Las fuentes de los surges a pesar de ser muy variadas, tienen en general su origen
común a dos posibles fuentes: la conmutación de equipos o la interacción con el entorno.
3.5.1.1 Surges por conmutación de equipos
Los surges por conmutación de equipos más usuales de contemplar en los sistemas
de potencia son:
1) Energización/desenergización de fuentes de potencia o de equipo reactivo.
2) Arqueo asociado con falsos contactos o fallas a tierra.
3) Conmutación de bancos capacitivos de factor de potencia.
En las figuras 3.8 y 3.9 se muestran los comportamientos en voltaje y corriente,
respectivamente, ante conmutación repentina de equipos en la red que les afectan.
Figura 3.8: Efecto de una interrupción en una onda de voltaje de alimentación, [IEEE
Std. 1100, Emerald Book].
Figura 3.9: Efecto de una interrupción en una onda de corriente de alimentación,
[IEEE Std. 1100, Emerald Book].
3.5.1.2 Surges por interacción con el entorno.
Los surges por interacción con el entorno se pueden dividir en las siguientes 3
categorías:
1) Surges inducidos por descargas eléctricas atmosféricas:
Estos transitorios son debidos a interacciones de Escenario 1 (impacto no
directo) o de Escenario 2 (impacto directo). Básicamente lo que ocurre es que en
las nubes se forman centros de cargas, habitualmente negativos, en el centro de
las nubes, así, las líneas de campo eléctrico terminarán en dichas cargas
negativas, y las cargas opuestas donde inician las líneas de campo eléctrico
yacerán en el suelo en su gran mayoría, de esta forma se empezará a desarrollar
un potencial eléctrico entre las nubes y la tierra, con un dieléctrico de muy baja
conductividad como lo es el aire mismo, hasta que llegará a un punto en el que
el gradiente de voltaje será lo suficientemente alto como para superar tal barrera
de aislamiento, ocasionando así una pequeña descarga inicial de muy baja
corriente llamada descarga piloto o descarga líder, seguida de esta descarga
piloto vendrán una serie de descargas de mayor amplitud. Las descargas
anteriormente mencionadas podrán caer directamente sobre la estructura en
cuestión (Escenario 2) o podrán no dar con un impacto directo pero si cercano o
lejano (Escenario 1). De esta manera, podrán inducirse tensiones y corrientes
transitorias según se puede analizar de la ley de Faraday, como la desplegada en
la ecuación 3.5-1 (se toma en cuenta el aporte de Lenz a la teoría de inducción
electromagnética, pero no se mostrará el aporte en la ecuación sino a la hora de
la aplicación de la misma) en donde el flujo es aquel que emite la corriente de la
descarga a las inmediaciones de su lugar de caída.
(3.5-1)
2) Surges debidos a redistribución de cargas atmosféricas sin arqueo:
Una vez que se ha realizado una descarga a partir del mecanismo detallado en la
subsección anterior, una gran cantidad de cargas buscar una redistribución para
poder equilibrarse con las cargas opuestas ubicadas fijas en la tierra. Dicha
redistribución es un gran movimiento de cargas que bajo el mismo principio de
la ley de Faraday, desplegada en la ecuación 3.5-1, induce voltajes transitorios
en conductores sobre-tierra o bajo-tierra, equivalentes en intensidad a descargas
nube a nube, pero modelados como una descarga nube a tierra [Emerald Book,
1992].
3) Surges debidos a descargas electrostáticas.
Las descargas electrostáticas suelen tener una muy baja transmisión de energía,
en el orden de unidades de milijoules hasta decenas de milijoules, sin embargo
son altamente perjudiciales para dispositivos semiconductores, por esta razón se
les suele prevenir de dos maneras distintas: limitando la cantidad de cargas
almacenadas o bien, limitar el camino de descargas posibles. Otra manera de
prevenir este tipo de descargas es aprovechar su baja energía y su naturalmente
corto tiempo de subida (alto dv/dt) para emplear un capacitor que suavice la
onda de voltaje que puede llegar a producirse a la hora de la superficie cargada
encontrar una superficie de descarga y tratar de descargarse mediante arqueo.
3.5.2 Mecanismos de acoplamiento de surges
Los transitorios surges pueden encontrar dos mecanismos de acoplamiento: de
espacio libre (campo corto) o de campo largo.
3.5.2.1 Acoplamiento por espacio libre
El acoplamiento por especio libre tiene dos maneras posibles de manifestarse, con la
característica de tratarse de campos de corto alcance, a saber:
i) Acoplamiento magnético:
Este puede ser experimentado cuando circuitos electrónicos sensibles están
en cercanía con algún camino conductor que trasiegue alguna corriente
surge, ésta según la ley de Faraday, puede inducir tensiones mediante
inducción magnética.
ii) Acoplamiento capacitivo:
De tenerse un circuito electrónico sensible y una fuente de tensiones surges
bastante cerca pueden darse transmisiones de energía de naturaleza
electrostática, en donde los parámetros de mayor interés serán la distancia
que separa a los circuitos en análisis de la fuente de tensiones surge y la
constante dieléctrico del medio que separa los circuitos de interés de la
fuente de tensiones surge.
3.5.2.2 Acoplamiento de campo largo
Este tipo de acoplamiento es analizado como la capacidad del circuito electrónico
sensible de comportarse como una antena receptora de EMI de largas distancias. En estos
casos la intensidad del campo es inversamente proporcional con la distancia del circuito
receptor a la fuente electromagnética en cuestión, así como la intensidad de la corriente
inducida crece con la intensidad del campo electromagnético en la vecindad del circuito
electrónico sensible en observación. La capacidad del circuito electrónico sensible de
comportarse como una antena está directamente ligado con su geometría y con el hecho de
alcanzar frecuencias de resonancia a las frecuencias transmitidas por las ondas de ruido
electromagnético.
3.5.3 Interacción con cableado subterráneo
El análisis de la inducción de tensiones surge a cableado subterráneo indica que este
es función directa de varias variables como lo son: la longitud del cableado enterrado, la
resistividad del suelo, la constante dieléctrica del enchaquetado aislante del cableado, la
profundidad con la que se enterró el cableado y si se ha empleado algún método de blindaje
para mitigar los efectos de inducción de corrientes remolino.
Existen estudios que indican que la amplitud pico de las tensiones y corrientes
transitorias inducidas a cables subterráneos es aproximadamente proporcional a la raíz
cuadrada de la resistividad del suelo.
3.5.4 Interacción de surges con cableado sobre-tierra
Un mecanismo comprobado para mitigar satisfactoriamente el efecto de las
inducciones de tensiones surges sobre conductores no enterrados es la implantación de
conductores a una mayor altitud, con el fin de que estos últimos intercepten una potente
fuente de tensiones surges como lo son las descargas eléctricas atmosféricas.
Dichos juegos de conductores están geométricamente acomodados para formar aros
de distintos tamaños y orientaciones. Como una afirmación general, el voltaje a circuito
abierto inducido en estos aros es directamente proporcional a la longitud del aro en cuestión
y a la razón temporal de cambio de la magnitud del flujo que atraviesa el área transversal de
dichos aros [Emerald Book, 1992].
3.5.5 Impactos potenciales de los surges
Dependiendo de qué tan severa sea la intensidad del surge y de la susceptibilidad
del circuito electrónico sensible en cuestión, se pueden tener 3 tipos de perjuicios (aparte
del daño ocasionado a los conductores que trasegaron el surge) a los circuitos electrónicos
sensibles: disrupción (corte en la transmisión) de datos, stress en hardware y en el caso más
crítico destrucción del hardware.
3.5.5.1 Disrupción de datos
Como es bien sabido, la aplastante mayoría de circuitos en los últimos tiempos, y
desde hace ya varios años, son digitales. Habitualmente estos circuitos, salvo algunas
excepciones como por ejemplo los circuitos de reloj con los que cuentan todos los
microprocesadores, se mantienen la gran mayoría de su tiempo de trabajo en uno de sus dos
estado posibles, e inclusive una tensión surge aplicada a línea que los alimenta puede tener
dificultades en hacerlo conmutar a su estado opuesto. Sin embargo, estos circuitos
biestables son muy vulnerables a la hora de realizar transiciones de un estado a otro, ya que
en esos instantes los circuitos se comportan como sistemas realimentados positivamente,
así las cosas, cualquier señal que se les presente a la hora va a ser amplificada hasta llegar
al punto de saturación, teniendo una muy probabilidad de hacer que el circuito vaya al
estado opuesto al que debería ir, ocasionando así disrupción o corrupción de la
información.
3.5.5.2 Stress en el hardware
La sola exposición a surges que a pesar de no causar ningún perjuicio fácilmente
perceptible, y de manera continua, conlleva a un deterioro progresivo de los dispositivos.
Los primeros dispositivos en resentir esta continuada exposición son los semiconductores y
los aislamientos de los conductores.
3.5.5.3 Destrucción del hardware
Dependiendo del dispositivo semiconductor así también será la cantidad de energía
que necesitará imprimirle un surge de voltaje para poder llevarlo a su límite de resistencia
física. Dicho límite de resistencia física se indica en la tabla 3.6 en función del dispositivo
semiconductor del que se esté tratando.
Tabla 3.6: Límites de resistencia física y de correcta operación de dispositivos
semiconductores, [IEEE Std C.62.41-2].
3.5.6 Frecuencia de los surge de voltaje
El conocimiento de las componentes en frecuencia de las ondas surge de voltaje y
de corriente V( ) & I( ) son un aporte importante para evaluar los posibles efectos de
dichos transitorios en los dispositivos electrónicos sensibles bajo observación.
En la figura 3.10 se muestra el espectro en frecuencia (transformada de Fourier) de
5 ondas transitorias muy habituales. Un ejemplo de cómo extraer información de la figura
3.10 es a partir del análisis de la misma, centrando la atención en el surge EFT se sabe bien
que este transitorio se caracteriza por tener un tiempo de subida en el orden de los
nanosegundos, como se sabe, un cambio de pendiente aproximada a 90˚ requiere de una
contribución de toda una gran gama de frecuencias, dicho comportamiento es palpable en la
figura 3.10.
Figura 3.10: Espectro en frecuencia de 5 ondas surge comunes, [IEEE Std. 1100,
Emerald Book].
92
Capítulo 4: Dispositivos Protectores de Surge
El presente capítulo estará dividido en 4 secciones, a saber:
i) ¿Qué es un Dispositivo Protector de Surges (SPD)?.
ii) Línea del tiempo de los SPD.
iii) Resumen panorámico de la tercera edición de UL1449 (2009).
iv) Parámetros de un SPD según NEMA LS-1.
4.1 ¿Qué es un SPD?
Los SPD son dispositivos que pueden atenuar, más precisamente limitar, los niveles
de tensión durante lapsos transitorios y de ruido en las líneas de alimentación de potencia o
de datos. Por lo tanto, los SPD son dispositivos que están diseñados para reducir la
amplitud de muy peligrosas tensiones transitorias de corta duración que pueden presentarse
en líneas de potencia, líneas de comunicación telefónica, líneas de datos, alimentaciones de
televisión por cable y cualquier circuito cerrado, y cualquier otra línea de alimentación o de
control que interactúe con un circuito electrónico sensible, así como también se encargan de
desviar cualquier corriente transitoria una vez que el dispositivo ha empezado a actuar de
manera protectora. Ahora bien, como se ha mencionado recientemente, solamente se va a
reducir la amplitud de la tensión transitoria, por lo que puede pensarse que el nivel de
tensión que logre salir del SPD puede ser perjudicial para los dispositivos electrónicos
sensibles que deberían en primera instancia ser protegidos por el SPD, por ejemplo, es de
vox pópuli que cualquier perturbación en voltaje aplicada a una computadora va a acabar
por dañarla, pero no es así, certeramente, los transitorios que tengan una amplitud de 1.5
veces la amplitud del voltaje de línea habitual pueden ser resistidos por un dispositivo
como una computadora, razón por la cual, es verdad el SPD solamente limita el nivel de
tensión de cualquier transitorio de corta duración, hasta valores que sean inofensivos para
las cargas electrónicas sensibles que el SPD protege.
En la figura 4.1 se muestra la acción limitadora de un SPD.
Figura 4.1: Acción limitadora de voltajes transitorios de un SPD, [Training Session
#1: SPD, Rick Syverson].
En la figura 4.2 se muestra explícitamente una representación gráfica de la acción
protectora de un SPD mostrando que cualquier tensión y corriente transitoria de amplitudes
perjudiciales encuentra en el SPD un camino para desviarse de la carga protegida. Además,
en la figura 4.3 se muestra una analogía del funcionamiento de un SPD con un molino de
agua, dicho molino es alimentado por una fuente de agua que cuenta con una válvula que se
activa por presión, cuyo único fin es actuar cuando haya algún exceso de presión a la
entrada del líquido, en el caso del SPD, la válvula sería el equivalente, en caso de venir
algún exceso en el suministro el dispositivo desahogará el exceso para que la carga a la que
se abastece no resulte dañada.
Figura 4.2: Acción desviadora de transitorios de un SPD, [Applications Manual and
Reference Guide for Surge Protection and Power Conditioning Products, Leviton].
Figura 4.3: Analogía del molino de agua con un SPD, [Applications Manual and
Reference Guide for Surge Protection and Power Conditioning Products, Leviton].
Ahora bien, para obtener el desempeño esperado de los dispositivos SPD no basta
con utilizar solo 1 dispositivo, se requiere de una protección integrada, que en la más pura
esencia de este trabajo ese es el objetivo principal, para obtener dicha protección integrada
se hará empleo de varios dispositivos SPD en cascada, agregando aún más información, los
Underwritters Laboratories (laboratorios que fungen como terceros para dar constancia de
lo que se ofrece, para decirlo en muy resumidas cuentas) en el documento UL1449 brindan
la pauta de las disposiciones a seguir para las empresas de manufactura de SPD que deseen
contar con el visto bueno de dicho estándar. En dicho documento, que va por su tercera
edición, se muestra con detalle que se debe cumplir para estar certificados por UL. De
dicho estándar se dará una muestra panorámica y resumida en la sección 4.3. En la figura
4.4 se muestra una configuración de dos SPD en cascada, donde se puede apreciar como el
voltaje es recortado, dicho voltaje se conoce como “let through voltage”, por ser el voltaje
que deja pasar el SPD.
Figura 4.4: Cascada de SPD, [Applications Manual and Reference Guide for Surge
Protection and Power Conditioning Products, Leviton].
Los SPD son componentes que pueden estar basados en uno o varios componentes
no lineales. Estos componentes base y sus características más atractivas para fungir como
protecciones ante tensiones surge se muestran en la tabla 4.1.
Tabla 4.1: Tecnologías de SPD, ventajas y desventajas.
Tecnología Característica (Pros/Contras)
Varistor de óxido Metálico (MOV)
Fácilmente disponible, capacidad para grandes energías, excelente confiabilidad, y desempeño consistente.
Curva de enclavamiento no lineal, fatiga de rápido alcance a altas corrientes, presenta problemas de fugas.
Diodo de Avalancha de Silicio (SAD)
Fácilmente disponible, curva de enclavamiento más plana, excelente confiabilidad de Avalancha, y despempeño consistente.
Muy baja capacidad energética, presenta algunos problemas capacitivos, precio.
Tubos de gas
Más alta capacidad energética que los MOVS & SAD, sin capacitancias ni fugas en aplicaciones de líneas de datos
Impredecible e inestable comportamiento repetitivo, suele tener problemas de crow-bar (voltaje a tierra), precio superior a los MOVS.
Filtros RLC
Excelente atenuación al ruido, elimina el enclavamiento a las harmónicas, y posee un comportamiento conocido para cualquier frecuencia.
Caros, dependientes de la frecuencia, baja capacidad energética, problemas de fugas, y bajo amperaje (El filtro RLC no es un supresor per se.
Híbrido TVSS
Si se diseña diligentemente, el híbrido incorpora todas las ventajas principales de varios de los componentes mientras se sobrepone a las falencias individuales
El híbrido es inherentemente más caro que cualquier SPD de un solo componente
En la figura 4.5 se muestran 4 componentes distintos con los que se fabrican SPD.
Además en la misma se muestran las características de respuesta rápida y capacidad de
descarga de cada uno de los dispositivos ahí mostrados.
Figura 4.5: Componentes para SPD y sus características de descarga [Training
Session #1: SPD, Rick Syverson].
Contrario a lo que se podría imaginar, no es recomendable reducir el efecto de los
transitorios respecto a la forma de onda de corriente alterna nominal a cero, pues para
empezar es innecesario, y segundo, esto puede conllevar a altos niveles de estrés al SPD,
por lo cual no es recomendable ese tipo de prácticas.
4.2 Línea de tiempo de los SPD
Para la transición entre el siglo XIX y el siglo XX, en los Estados Unidos de
América predominaban a lo largo del país dos tipos de cableado: los de trasiego de potencia
de corriente alterna y el cableado telefónico. Ambos, totalmente expuestos a las muchas
causas de tensiones y corrientes transitorias mencionadas con anterioridad, así que desde
ese entonces se han invertido esfuerzos en tratar de mitigar los impactos que los transitorios
eléctricos producen en dichos sistemas eléctricos.
A continuación se da un resumen de la línea del tiempo de estos dispositivos
[Training Session #1: SPD, Rick Syverson].
- En el año 1902 se crea el primer supresor de transitorios, con el objetivo de
proteger la comunicación telefónica.
- En 1935 la misma compañía que inventó el primer supresor de transitorios
inventa para Edison el primer supresor de transitorios AC.
- En 1954 se inventa el primer spark gap. Dicho sea de paso, estos dispositivos,
en general, son compuestos por tres electrodos dentro de un encapsulado
cerrado herméticamente y llena con algún gas (usualmente una mezcla de argón
e Hidrógeno). Se tienen con voltajes de activación en cientos de volts
[electrónica-electronics.com/Tecnica/Interferencia_Electromagnetica.html].
- En 1980 se inventa el primer supresor a partir de varistores de óxido metálico
(MOV). Fueron recibidos como dispositivos de protección milagrosos. Y con
esto se adaptó la primera UL1449 (UL1449: Standard para TVSS seguros).
- En 1992, se sacaron a la luz relaciones entre los MOVS y detonantes de
incendios. A partir de eso, las casas de manufactura se emplearon a fondo para
resolver este problema. Con ello se hace una nueva redacción de la UL1449 para
hacer mención a este conflicto.
- En 1995 el primer borrador de la nueva UL1449 se le envía a las casas de
manufactura para editarla y hacer comentarios.
- En 1996 el siguiente borrador está listo.
- En 1997 se readopta la nueva UL1449.
- A partir de 1998, todas las casas de manufactura de dispositivos SPD debían
estar a regla con el Estándar, de lo contrario, debían retirarse del comercio de
SPD.
- A partir del año 2007 se encuentra disponible la UL1449 2.5.
- La 3˚ Edición de UL1449 se encuentra disponible a partir del año 2009.
4.3 Resumen panorámico de la tercera edición de la UL1449 (2009).
Para denotar la relevancia de este estándar basta con decir que el NEC , la NFPA,
la ANSI, NEMA y la IEEE, han tomado en cuenta lo establecido en la UL1449 para editar
nuevas versiones de sus documentos [Training Session #1: SPD, Rick Syverson].
En esta nueva edición se exige un banco de pruebas mucho más exhaustivas y
rigurosas.
Un parámetro que afortunadamente vino a mejorar la normativa americana fue el de
Corriente Nominal de Descarga , dicho parámetro es medido mediante la aplicación de 15
ondas 8µs/20µs de una gama de 3 kA, 5 kA, 10 kA y 20 kA. Al final de la prueba se
clasifica la del dispositivo según los 4 valores anteriormente mencionados [Entrevista a
Rick Syverman, Propia].
VPR (Voltage Protection Rating), que vino a suplantar al anteriormente llamado
SVR (Suppressed Voltage Rating), dichosamente, la prueba de VPR vino a ser de una talla
más semejante a la del Estándar Europeo IEC-62305, pues en esta oportunidad las pruebas
consisten en ondas Combination Wave de 6 kV/ 3 kA, mientras que anteriormente solo se
empleaban ondas Ring Wave de 500 A, lo cual contrastaba notablemente con los niveles
tan altos de Maximum Surge Current de hasta 700 kA, cuando dicho sea de paso, los
laboratorios de pruebas para SPD hoy por hoy, cuentan con a lo mucho capacidades de
pruebas de ondas 8µs/20µs de 200 kA, y aún así se presentaban, y se siguen presentando
inconsistencias, de ese tipo, a la vez esto fue una razón de peso para dar una revisión y
cambio radical a la UL 1449 respecto a la 2da Edición [Entrevista a Rick Syverman,
Propia].
Además de como se mencionaba anteriormente, de pruebas que aseguren un
funcionamiento libre de riesgos en condiciones de cortocircuito de hasta cierto valor límite
de corriente de cortocircuito (SCCR, Short-Circuit Current Rating).
Es muy relevante además la eliminación de los términos TVSS y supresor de
transitorios, para dejar todo en términos de SPD, además de dividir los dispositivos SPD en
4 categorías. De todas ellas se comentará en cada subsección de esta sección.
4.3.1 Tipos de SPD
i) SPD tipo 1:
Es un SPD permanentemente conectado entre la salida del secundario del
transformador de servicio y antes o después del interruptor principal contra sobrecorrientes
contiguo al medidor eléctrico. Previo a la tercera edición de la UL1449, el dispositivo más
cercano a este tipo de SPD era llamado supresor de transitorios secundario (el supresor de
transitorios primario es del dominio de la compañía proveedora de servicios, y suele ser un
spark gap o alguna tecnología afín para confinar la energía de un rayo a tierra, dicho sea de
paso, los spark gap son los dispositivos con mayor el valor más alto en el parámetro
Maximum Surge Current).
ii) SPD tipo 2:
Es un SPD permanentemente conectado en el lado de las cargas, después del
interruptor principal, incluyendo SPD’s localizados en los páneles de circuitos ramales y en
tableros de distribución. Previo a la tercera edición de la UL1449 lo más cercano a estos
dispositivos son los TVSS.
iii) SPD tipo 3:
Este tipo de SPD es para ser instalado a una distancia mínima de 10 metros (30
pies) de conductor respecto al pánel de distribución. Entre estos 10 metros no se incluye el
cable requerido para la conexión del SPD. Algunos ejemplos de SPD tipo 3 son SPD
conectados por cable, de enchufe directo o bien, de receptáculo.
iv) SPD tipo 4:
Este tipo es referido a los componentes discretos del SPD y al ensamble de
componentes en sí.
En la figura 4.6 se muestra la distribución SPD de la UL1449 del 2009.
Figura 4.6: Distribución de los tipos de SPD según la 3ra edición de UL1449 [Training
Session #1: SPD, Rick Syverson].
4.3.2 Clasificación de Protección de Voltaje (VPR, Voltage Protection Rating)
El VPR emplea el voltaje al que limita el SPD luego de obtener un promedio de los
voltajes de limitación luego de realizársele una serie de pruebas. Como una condición
indispensable, al SPD se le calculará el VPR antes de la prueba de corriente de descarga
nominal y después de la misma, y deberá cumplir con que la diferencia porcentual
máxima entre el VPR antes y después de la prueba sea de un 10%. Además de eso, las
pruebas se le realizan a tres dispositivos del mismo tipo elegidos por el manufactor, y
también, los voltajes del VPR ya están fijados por el estándar, así que, la casa de
manufactura deberá adaptar su valor de VPR a ser igual o inferior a cualquiera de los
siguientes valores en unidades de kilovolts: 0.33, 0.4, 0.4, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.2, 1.5,
1.8, 2, 2.5, 3, 4, 5 y 6.
4.3.3 Corriente Nominal de descarga ( )
Es la corriente de descarga a tierra nominal del SPD en cuestión. La prueba para
determinarla consiste en la aplicación de 15 ondas Combination Wave SCC. Así, luego de
la prueba, la casa de manufactura deberá elegir entre un valor que coincida con alguno de
los siguientes propuestos por el estándar:
- 10 kA o 20 kA, para SPD tipo 1.
- 3 kA, 5 kA, 10 kA o 20 kA, para SPD tipo 2.
Como dato relevante, a un SPD tipo 4 se le evalúa con el mismo criterio de prueba
que a los dispositivos SPD tipo 2.
Un dato adicional, en los Estados Unidos de América, solo podrán ser certificadores
para venta aquellos manufactures que han sido designados por la OSHA (Occupational
Safety and Health Administration) como un NRTL (National Recognized Tested
Laboratory). Así, cualquier NRTL es independiente de realizar certificaciones de manera
independiente de cualquier producto eléctrico o productos de combustión de gas o aceite.
Adicionalmente, pero aún así muy relevante, también existe un documento para
poder realizar comparaciones entre los SPD, dicho documento es el NEMA LS 1-2007. En
la figura 4.7 se muestra una comparación entre 4 distintos SPD, donde pueden apreciarse
los parámetros principales que fueron discutidos en esta sección como resumen panorámico
de la 3ra Edición de la UL1449.
Figura 4.7: Comparación de características de 4 SPD distintos [Training Session #1:
SPD, Rick Syverson]
4.4 Parámetros Eléctricos de Manufactura de SPD’s
La presente sección se vale de la NEMA LS-1, el cual es un formato para la
preparación de especificaciones de SPD’s, la cual se elaboró con el fin de saber discernir
con mejor criterio, entre una gran cantidad de documentación y especificaciones de SPD, a
cuáles parámetros saber reconocer como valiosos, y saber cuáles son parámetros
vulnerables a omisiones o inconsistencias. Por esa razón el primer inciso de esta sección se
dedicará a desmitificar 2 parámetros engañosos que pueden llegar a enredar el asunto de la
elección de un SPD, además de mostrar los errores a los que puede llevar un dispositivo
contador de surges. El segundo inciso de esta sección se dedicará a la presentación de los
13 parámetros de la NEMA LS-1.
4.4.1 Desmitificación de parámetros no críticos de SPD’s & Contadores de
Surges
i) Índice de Energía Joules
Este índice es sujeto de confusión y malas interpretaciones debido a que el mismo
es dependiente de la tensión transmitida, la corriente trasegada y la duración del transitorio.
Además, esta especificación no está tipificada por ningún estándar. Así las cosas, cualquier
casa de manufactura puede inventar una onda o una serie de ondas de prueba, de forma tal
que su dispositivo tenga medición de parámetro Joules más favorable respecto a otros
[Protección contra picos & acondicionamiento de la energía: Módulo #28, Eaton].
Más aún, la medición de este parámetro es con frecuencia efectuada a partir de
ondas distintas a la 8µs/20µs Combination Wave SCC dispuesta en la IEEE C.62.41
[Manual de aplicaciones de SPD y dispositivos acondicionadores de energía, Leviton].
Por todas estas razones, este parámetro es a lo mucho no relevante para las
características de un SPD, y en el peor de los casos, puede conducir a malas
interpretaciones.
En la figura 4.8 se muestra con un ejemplo la susceptible a malas interpretaciones o
inclusive, lo susceptible que puede ser este parámetro a manipulaciones. A partir de dicha
figura lo más común es escoger el SPD con el valor más alto de disipación posible de
energía, por motivos razonables, sin embargo, si se pone atención a la prueba 1, el SPD de
1000 J es mejor que el de 2000 J, pues, además de tener un mejor valor de Voltaje de
Protección, disipa la mitad de energía para la misma cantidad de corriente. Sin embargo, al
aplicar la prueba 2, se tiene que el SPD de 2000 J es mejor que el de 1000 J, pues el
primero limita al mismo voltaje que el segundo y con el doble de corriente transitoria de
trasiego durante la misma duración del transitorio, aunque disipe el doble de energía, pero
el SPD tiene la capacidad de resistirlo [How to Select a SPD, ERICO]. Así las cosas, el
parámetro Joule, sin duda alguna, tiene una muy buena posibilidad de causar engaño a los
usuarios.
Figura 4.8: Ejemplo de dos pruebas para determinar parámetro Joules [How to Select
a SPD, ERICO].
ii) Tiempo de Respuesta o “Tiempo para Encendido”
Como puede notarse a la hora de buscar especificaciones de dispositivos SPD, el
parámetro de tiempo de respuesta suele estar entre las especificaciones principales, sin
embargo, este término sin duda alguna es engañoso.
No es nada fuera de la común encontrar en dispositivos desviadores de transitorios
en paralelo tiempos de respuesta en fracciones de nanosegundos. Así, dispositivos como
SAD’s son habituales en este parámetro con 1 ns a 10 ns, los MOV’s con 5 ns a 25 ns y los
spark gaps con 100 ns. Un dato importante para discutir este tema es que los dispositivos
SAD’s, como se acaba de comentar tienen mejores tiempos de respuesta que los otros
dispositivos desviadores. Sin embargo, es más importante el “let-through voltage” que el
tiempo de respuesta, pues este primero contempla al segundo, a mayor tiempo de respuesta,
mayor voltaje de enclavamiento, además, por más tiempo de respuesta que exista, todos los
dispositivos desviadores de transitorios en paralelo se ven seriamente afectados por las
inductancias propias del cableado, tanto es así que una diferencia de 5 ns en el tiempo de
respuesta solamente conllevaría a una mejora en el voltaje de 43V a 48V. Razón por la
cual, este parámetro no debe ser tomado en cuenta, se debe prestar atención más bien al
parámetro VPR [How to Select a SPD, ERICO].
4.4.2 Parámetros de un SPD según NEMA LS-1
A seguir se dará una lista comprimida de los 13 parámetros el que comprende el
estándar NEMA LS-1, el cual en su versión anterior, vino a ser una interpretación de mucha
ayuda de la UL 1449 2da Edición.
1) Nombre del dispositivo & Número del Modelo:
Disponible de las especificaciones de la casa de manufactura.
2) Descripciones del dispositivo:
Esto define los componentes internos del dispositivo SPD que realmente que
realmente suprime los surges transitorios de voltaje. Ejemplos de estos incluyen uno o
varios MOV’s, diseño por tubos de gas, circuitos híbridos, entre otros.
3) Voltaje de línea nominal:
Sea cual sea la manera de instalar el dispositivo, por montaje, por receptáculo, o
mediante cableado rígido, el voltaje de línea para el que fue destinado debe especificarse.
4) Corriente Máxima de Operación Continua:
Este parámetro debe estar especificado para SPD que estén ensamblados a partir de
componentes en serie, de forma tal que se asegure una operación sin sobrecalentamiento
mientras se esté operando dentro del rango de ampacidad fijado.
5) Voltaje Máximo de Operación Continua (MCOV):
Este parámetro está estrechamente ligado con la capacidad que posee un SPD de
soportar un transitorio de prolongada duración como un swell o un sobrevoltaje temporal
(TOV). Con el MCOV se tiene un parámetro que indica cuánta tensión amplificada en su
valor rms durante un tiempo superior a medio periodo de onda nominal de voltaje, sin
embargo, este valor solo consiste de una cantidad de voltaje no de un tiempo y de una
cantidad máxima de voltaje aplicado durante ese tiempo. Para tener dicho parámetro más
exacto, la normativa americana debería adoptar el parámetro Stand-off Voltage, el cual es
exactamente lo que se acaba de comentar. En Estados Unidos de América, casas de
manufactura como ERICO (CRITEC, ERITEC) muestran ese parámetro como un valor
crítico, lo cual es totalmente cierto como se acaba de mostrar.
6) Medios de conexión:
Dependiendo del tipo de dispositivo, este parámetro podría indicar que es un
dispositivo de conexión por terminales por compresión (lengüetas), por terminales
atornilladas, mediante cables conductores, mediante terminales de enchufe, etc.
7) Modos de Protección:
Este parámetro hace referencia a los tres tipos indispensables de protección contra
transitorios que deben haber: línea-neutro (L-N), línea-tierra (L-T) y neutro-tierra (N-T). En
el caso de unidades de montaje en pánel, especialmente para aquellas en sistemas en delta o
a la entrada de servicio, donde el neutro y la tierra están unidos, los dispositivos deben
cumplir con todos los modos de protección posibles, a pesar de no poderse aplicar todos los
límites de protección.
8) Máxima Corriente Surge:
Este parámetro indica que tan robusto es un el SPD ante una condición de corriente
surge extremadamente alta, por ejemplo ante la acción inductiva de surges de una descarga
atmosférica. El estándar para efectuar la medición es la aplicación de un pulso solitario
8µs/20µs Combination Wave SCC.
9) Valor de Voltaje de Protección (Camping Voltage, VPR):
El voltaje de enclavamiento, también llamado tensión transmitida o tensión de
estabilización es fijado por una serie de pruebas realizadas a partir de la aplicación de las
ondas de prueba definidas en la colección de estándares C.62.41 de la IEEE al dispositivo
SPD, se obtiene del promedio del voltaje de enclavamiento del dispositivo. Además, para
cada uno de los modos de protección se debe especificar el voltaje de enclavamiento
respectivo.
10) Rechazo de EMI/RFI:
El ruido electromagnético (EMI) y la interferencia de radiofrecuencia deben ser
atenuaos por el SPD para un rango de frecuencias determinado.
11) Aprobación de Agencia de Seguridad:
Organizaciones de certificación como UL, CSA, NOM, deben aparecer
especificadas en compañía sus correspondientes estándares de aplicación de evaluaciones,
categoría del producto, además de los números de archivos relacionados. Así, por ejemplo,
para un artículo como regletas SPD (SPD strips) certificadas por UL, deberá aparecer
claramente que se cumple con el estándar UL1449 TVSS (XUHT) y también con el
UL1363 Taps de Potencia Temporal (XBYS). Además de agregar la información
correspondiente a los números de archivos asignados para dicho dispositivo, en este caso,
estos son XUHT & XBYS, los cuales son identificadores de productos empleados por UL.
12) Clasificación dada por las Agencias de Seguridad
Las agencias de seguridad asignan, por ejemplo, categoría para supresión
(enclavamiento) basada en requerimiento de algún estándar aplicable. Vale la pena
mencionar un detalle muy relevante al respecto, ni UL ni la Asociación de Estándares
Canadiense (CSA) prohíben el empleo de dispositivos SPD en intemperie, a menos que se
empleen recintos apropiados para estas prácticas como los NEMA 3R, por ejemplo
[Manual de aplicaciones de SPD y dispositivos acondicionadores de energía, Leviton]..
13) Datos Físicos:
Este apartado es brindado por el manufactor, aquí se brindan detalles físicos como
dimensiones, peso, composición de los materiales, entre otros aspectos físicos.
Como mención de consideración dado que la sección se dedicó a especificación de
SPD, es muy importante destacar las tablas 4.2 & 4.3, las cuales muestran una manera de
subcatalogar los SPD según su nivel de exposición, esa subcategorización es bastante
habitual de encontrar a nivel comercial, como se mostrará en la siguiente sección del
presente texto.
Tabla 4.2: Subcategorización de SPD según nivel de exposición para Ring Wave,
[IEEE Std C.62.41-2].
Estándar 0.5µs/10µs Ring Wave Voltajes & Corrientes esperados en Locaciones Categorías A & B
Modos de Protección en Monofásico: L-N, L-G & [L&N]-G Modos de Protección Polifásicos: L-L, L-G & [L's]-G
Categoría de Localización Exposición del Sistema Voltaje (kV),pico Corriente (kA), pico Impedancia Efectiva (Ω)
A1 Baja 2 0.07 30
A2 Mediana 4 0.13 30
A3 Alta 6 0.2 30
B1 Baja 2 0.07 12
B2 Mediana 4 0.33 12
B3 Alta 6 0.5 12
Tabla 4.3: Subcategorización de SPD según nivel de exposición para Combination
Wave, [IEEE Std C.62.41-2].
Estándar 1.2µs/50µs - 8µs/20µs Combination Wave Voltajes & Corrientes esperados en Locaciones Categorías B & C
Modos de Protección en Monofásico: L-N, L-G & [L&N]-G Modos de Protección Polifásicos: L-L, L-G & [L's]-G
Categoría de Localización Exposición del Sistema Voltaje (kV),pico Corriente (kA), pico Impedancia Efectiva (Ω)
B1 Baja 2 1 2
B2 Mediana 4 2 2
B3 Alta 6 3 2
C1 Baja 8 3 2
C2 Mediana 10 5 2
C3 Alta 20 10 2
Capítulo 5: Especificación de protección integrada en
localizaciones clase A, B & C contra transitorios eléctricos
(hasta 1000 V)
El presente capítulo se encargará de mostrar la manera correcta de emplear, ubicar e
instalar cascadas de protecciones SPD a lo largo de las localizaciones de protección clase
A, B & C según lo indica el artículo 285 del NEC 2008. Además se muestra un criterio
sólido, por pasos, para la toma de decisiones de cuál es el esquema de protección que se
debe elegir para estar protegido de una manera óptima contra tensiones y corrientes surge
transitorias. La primera sección, y de paso la más extensa, mostrará el plan a seguir para
protección contra transitorios surge, la segunda sección, mostrará un breve esquema de
protección ante transitorios sags.
5.1 Esquema de protección integrado contra transitorios Surge
De acuerdo con el Artículo 285: “SPD’S, 1 kV o menos” del NEC 2008, la
recomendación para una cascada de protección SPD estará compuesta por SPD’s tipo 1, 2 y
3, siempre y cuando se cumpla con estar estos protegiendo una instalación de 1 kV o
menos, que además cuenta con una línea de tierra y cuyo parámetro MCOV no sea menor
que el voltaje nominal de alimentación de la estructura a proteger. Además, dicho SPD
debe cumplir con una SCCR no menor a la corriente de falla medida en el sector a proteger
(quedan libres de esta última condición los SPD tipo 3). Además, dichos dispositivos
pueden estar tanto dentro como fuera de la edificación, y deben de ser inaccesibles para
sujetos no calificados para su manejo, a menos que estos dispositivos sean especificados
para trabajar en un lugar de acceso irrestricto.
Una condición muy importante, sea cual sea el tipo de SPD a instalar, este debe
siempre ser enlazado con el sistema a proteger mediante el empleo de la menor cantidad de
conductor posible.
5.1.1 Ubicación de un SPD tipo 1
Para un SPD tipo 1 se dictan dos posibles ubicaciones, a saber:
a) Un SPD tipo 1 debe ir conectado en el lado del suministro eléctrico del
disyuntor de servicio, tal y como lo dispone el artículo 230.82 del NEC 2008.
De ser aplicado en la entrada de servicio, el conductor de tierra del SPD tipo 1
debe estar conectado a uno de los siguientes:
Conductor de tierra del servicio.
Conductor del electrodo de tierra.
Electrodo de aterrizamiento del servicio.
Terminal de aterrizamiento de equipos en el equipo de servicio.
b) Un SPD tipo 1 puede debe ir instalado como lo dispone 285.24.
5.1.2 Ubicación de un SPD tipo 2
Los SPD tipo 2 deben de estar instalados acorde con el artículo 285.24 según los
incisos del (A) al (C).
(A) Edificaciones & Estructuras alimentadas por Servicio Eléctrico:
Un SPD tipo 2 debe de estar colocado en cualquier lugar del lado de la carga del
dispositivo disyuntor de sobrecorriente como lo especifica el Artículo 230.91 del NEC
2008, a menos que ya se haya instalado según el Artículo 230.82 del NEC 2008.
(B) Edificaciones & Estructuras suplidas por alimentadores (feeders):
Un SPD tipo 2 debe de estar conectado en el edificio o estructura en cualquier lugar
del lado de la carga del primer dispositivo disyuntor de sobrecorriente dentro de dicha
edificación o estructura.
(C) Sistemas Separados Derivados
Para empezar, según el NEC 2008, un Sistema Separado Derivado es aquel que es
alimentado por cualquier otra fuente que no sea el servicio de suministro eléctrico.
Así las cosas, un SPD tipo 2 debe de estar conectado en el Sistema Separado
Derivado en cualquier lugar del lado de la carga del primer dispositivo disyuntor de
sobrecorriente dentro de dicha edificación y estructura.
5.1.3 Ubicación de un SPD tipo 3
Se empleará un SPD tipo 3 en cualquier lugar del lado de la carga de la protección
contra sobrecorriente de un circuito ramal hasta llegar al equipo servido.
En general, los cableados a emplear para conectar SPD’s tipo 1 o tipo 2 a fases y
tierra no deben ser al menos conductores calibre #14 AWG de cobre o #12 AWG de
aluminio.
5.2 Especificación de un SPD
Como se ha estudiado previamente, existen así como parámetros críticos para
especificar un SPD hay también parámetros engañosos, los han habido, los hay, y los
seguirá habiendo, así que es fundamental tener claro un criterio razonable de selección, que
es el que se pretende a continuación.
5.2.1
Este parámetro es sin duda fundamental, por encima del resultado de parámetros de
Corriente Máxima de Surge, este parámetro es mucho más importante. Mientras existen
comercialmente dispositivos con parámetros de corriente Surge de hasta 700 kA, no llegan
a resistir la prueba de 15 ondas 8µs/20µs de 20 kA, así, a la hora de desviar transitorios de
corriente no van a estar a la altura del máximo para pruebas de para SPD’s tipo 1 o tipo
2, y es que este es el parámetro que se requiere a la hora de proteger equipos de poderosos
transitorios de corriente. Además hay dos detalles con estos parámetros de Máximos en
Condición de Surge, el primero de ellos, es una ventaja, entre mayor sea su valor, mayor
vida útil tendrá el dispositivo, pues a la hora de ser expuesto a transitorios de gran amplitud
padecerá menor stress, el segundo detalle, es crítico, ¿cómo es determinado el valor
desplegado en las especificaciones?, ¿cuenta el manufactor con un laboratorio de pruebas
surges?, ¿cuál es la máxima capacidad de surge de prueba con la que se cuenta?. La
respuesta a las interrogantes previas no es para nada usual desplegada en las
especificaciones mostradas por la casa de manufactura, y es que dicha información es
crítica, pues como puede contemplarse en el sitio oficial de internet de UL, en la sección de
Directorio en línea de Certificaciones se muestra al ingresar en la sección de SPD’s que los
parámetros de Máxima Condición de Surge, ni de corriente, ni de voltaje, forman parte de
los parámetros críticos probados por UL, por lo tanto, si estos dispositivos son certificados
por UL y despliegan valores de Condiciones Máximas de Surge, no hay un tercero que
garantice la veracidad de dichos parámetros, por lo que la respuesta a las preguntas
anteriormente formuladas debe ser respondida por las casas de manufactura en cuestión,
esto para llegar a considerar de algún valor la información brindada por dichas casas de
manufactura respecto a esos parámetros.
Hay aún un tercer detalle concerniente a dichos parámetros, y es que, no existe aún
un laboratorio de pruebas capaz de exceder la ejecución de una onda de 8µs/20µs a 200 kA,
ahora entonces, ¿cómo existen dispositivos que claman tener parámetros de Condición
Máxima de Surge de hasta 700 kA, si el límite de un laboratorio de vanguardia de pruebas
para surges es de 200 kA? [Entrevista a Rick Syverman, Propia].
Este tipo de aseveraciones dudosas son habituales en el campo de los SPD, por esa
razón se debe de ser extremadamente cuidadoso con parámetros como Condiciones
Máximas de Surge.
5.2.2 VPR
Es un parámetro indispensable, pues es el voltaje al que quedarán expuestas las
cargas que están siendo protegidas. Como es de esperar, sobre todo en conexiones
trifásicas, hay VPR para voltaje de línea a línea, de línea a neutro, de línea a tierra y de
neutro a tierra. Debe elegirse tomando especial cuidado acerca de la etapa de protección
que se está contemplando, para de esta manera asegurar que eventuales etapas posteriores o
bien las cargas pueden reducir a niveles esperados o bien soportar el voltaje “let through”
del SPD en cuestión.
5.2.3 Voltaje de enclavamiento durante condición de
Este parámetro es de gran importancia, no es usualmente revelado, pero se le puede
consultar a la casa de manufactura acerca del valor de este parámetro. Realmente es de gran
relevancia el valor de este parámetro pues aunque el VPR es muy importante, se debe
recordar el origen de dicho valor, el valor de ese parámetro surge de la aplicación de ondas
de prueba Combination Wave 6 kV / 3 kA, y de ahí el voltaje que se tiene en los distintos
modos de protección es el que se desplegará según el valor obtenido y los valores estándar
ya antes comentados que se ofrecen como resultados de esta prueba. Mientras que el valor
de clamping en esta condición es el que realmente se tiene a la hora de un desvío nominal
de corriente transitoria de estos dispositivos, de ahí su relevancia. Un dato importante es
que UL tiene el resultado de dicha prueba [Entrevista a Rick Syverman, Propia].
5.2.4 SCCR
Tal y como lo indica el Artículo 285 del NEC 2008, el conocimiento de este
parámetro es fundamental pues permite saber si este dispositivo es capaz de soportar la
descargar de corriente de falla que es capaz de tenerse en el área a proteger. Es de rigor
saber que un SCCR de buena reputación es de 200 kA.
5.2.5 MCOV
Este parámetro es fundamental. En el año 1992 un sujeto autodenominado
Stringfellow reveló riesgos incendiarios de los SPD, lo cual motivo hasta una reedición de
la UL de aquel entonces. Esta comprobado que estos dispositivos al no operar a su voltaje
nominal tienden a calentarse, lo cual no es ningún problema si se va a proteger la
instalación en cuestión de tensiones surge, cuya duración es de media onda nominal o
menos de eso, sin embargo, si se tiene un transitorio swell o alguna sobretensión, ahí
entonces sí se tendrá problemas, pues estos son de una duración superior a media onda
hasta unos pocos segundos, o peor aún, para las sobretensiones, cuya duración es de varios
segundos. Dichas condiciones conllevan a un calentamiento excesivo de los SPD, razón por
la cual se recomienda que los SPD a ser instalados en cierta zona tengan un MCOV de
120% el valor del voltaje de operación nominal del SPD.
5.2.6 Stand-Off Voltage
Este parámetro no forma parte de la normativa americana, aún así, si alguna casa de
manufactura ofrece este valor, y más aún, es certificado por IEC 62305 debe tomarse
bastante en cuenta a la hora de elegir el dispositivo. Como se había mencionado con
anterioridad, casas de manufactura como ERICO ofrecen este parámetro en sus SPD. La
relevancia de esta cantidad yace en el hecho de que permite conocer con exactitud la
amplitud del surge y la duración del mismo para que el SPD entre en condición de
sobrecalentamiento y así que entre en condición de circuito abierto el disyuntor térmico.
Por ejemplo, para un dispositivo de 120 VAC, el valor de este parámetro sería de
200 VAC para 20 ms, luego de ese tiempo, el dispositivo entra en calentamiento fuera del
rango nominal y da paso a la apertura del disyuntor termomagnético.
Es decir, este parámetro es como un MCOV, solo que más preciso, pues especifica
por cuánto tiempo se puede resistir, sin riesgo, dicha condición de sobrevoltaje.
5.3 Información adicionales relevantes para la selección de SPD’s
Otros aspectos adicionales es conocer de antemano: los detalles acerca de la
edificación o estructura a proteger y conocer con detalles a las casas de manufactura de
SPD en análisis.
5.3.1 Detalles del edificio o estructura a proteger
Es de gran relevancia conocer la historia meteorológica del sitio en el que se
encuentra la edificación o estructura a proteger, ya sea por mapas de densidad de descargas
atmosféricas, o bien, por mapas isoceráunicos. Información de este tipo permitirá tener una
noción estadística de que tan expuesta está dicha zona a descargas atmosféricas, y se podrá
tomar en cuenta para comparar entre parámetros de Condiciones Máximas de Surge, pues,
entre más alto sea este parámetro (contestando las preguntas previamente expuestas) mayor
será su tiempo en años de protección, y al ser una zona de mucho o poco stress eventual
para el SPD esto sería un detalle adicional a tomar en cuenta.
Otro detalle a considerar es el tipo de distribución de voltaje empleado en la zona en
donde yace la edificación o estructura. En la figura 4.10 se muestran distribuciones bastante
habituales de topar en los Estados Unidos de América, y por supuesto, varias de ellas muy
conocidas en Costa Rica.
Figura 5.1: Diagramas de distribución de voltajes habituales [How to Select a SPD,
ERICO].
Otro aspecto respecto a la distribución de voltajes es su voltaje y frecuencia nominal
de distribución respecto a la ubicación de la edificación o estructura a proteger.
Respecto al servicio eléctrico que provee la zona, ¿cuenta con una pobre regulación
de voltaje?, ¿cuál es el máximo sobrevoltaje esperado, así como su duración?.
Otro aspecto a considerar es, además de los daños ocasionados por sobretensiones o
surges o swells, es que tanto sería el costo por cierta inactividad en el comercio en cuestión,
los riesgos que puede sufrir el personal de la edificación o estructura, etc.
5.3.2 Historial de las casas de manufactura de SPD
Aspectos a considerar respecto al historial de las casas de manufactura de SPD’s
son por ejemplo: ¿qué experiencia tienen en el área de SPD’s?, ¿son ellos casa de
manufactura y casa de diseño de dispositivos SPD?, ¿qué sistemas de garantía ofrecen?.
La respuesta a las preguntas recién planteadas permitirán al eventual comprador el
conocer con detalle a quién le está comprando los dispositivos, y si es capaz de responder
por ellos, por su historia, su garantía, y la calidad de los productos que ofrece.
5.4 Análisis de costos de protecciones integradas SPD
Es habitual encontrar precios desde la protección más habitual de contemplar en
estos días como lo son las regletas SPD con costos oscilando entre los 10 USD hasta costos
que oscilan entre los 24 USD, o bien encontrar receptáculos SPD de uno, dos o tres tomas
de corriente con precios alrededor de los 20 USD a los 25 USD, y así puede hallarse costos
más altos, o inclusive, más bajos que el recientemente citado.
En cuanto a los dispositivos SPD tipo 2 o tipo 1, se pueden encontrar costos desde
alrededor de los 94.99 USD, hasta alrededor de 226 USD, de ahí para arriba hay una gran
variedad de dispositivos, de una gran variedad de casas de manufactura.
Claro está, la información anterior es la que se le brinda a un comprador no
mayoritario, ni es cliente preferencial de alguna casa de manufactura, es el precio que se le
da a un posible comprador en una red de transacciones digital que es visitada y empleada
como casa de compras por una gran cantidad de usuarios a nivel mundial. Así, queda
patente, que esto es solo un estimado del costo que tendría un usuario que no sea un
comprador potencial de este tipo de dispositivos, el cual, con la aprobación del NEC como
estándar nacional a partir de principios del 2012, se espera que cada vez sea mayor.
5.5 Dispositivos para protección contra sags
Los sags son equivalentes a los swells en el aspecto en que ambos son de corta
duración, de entre medio periodo y unos pocos segundos, y son una reducción en fase del
voltaje rms de alimentación en cuestión.
Existen varias propuestas que con muy buena probabilidad protegen de estos
transitorios de baja tensión a los dispositivos a proteger, entre ellos:
- Sags Ride-Through:
Este es un acondicionador de energía que se conecta en serie, con la función de
ejecutar compensaciones de voltaje (Acción que realiza mediante transformadores de
compensación). Al detectar un sag, este dispositivo tarda aproximadamente 2 milisegundos
en reaccionar y compensar el voltaje de red que ha decaído. Es capaz de corregir sags que
ocasionen un voltaje de red de 63% del voltaje nominal. Este dispositivo es estrictamente
recomendado para la protección contra sags, no así para bajos voltajes [When Voltage
Sags, Productivity lags, Eaton].
- Reguladores de Voltaje Electrónicos (EVR):
Los EVR son cambiadores de derivación (tap changers) con un transformador
aislado. Su voltaje de entrada, que puede ser de 110% / 74% del voltaje nominal, llega a
tener un muy buen voltaje de salida que varía un +/- 3% respecto al voltaje nominal de
alimentación del lado de las cargas a proteger. Este dispositivo es recomendado para
protección contra bajas tensiones [Voltage Regulators & Sags Correctors, Eaton].
- Transformadores de Voltaje Constante:
Los transformadores de Constante (también llamados transformadores
ferroresonantes) son empleados para proteger cargas constantes, y permite protegerlas de
sags que lleven a un 70% del voltaje nominal. Sin embargo, a la hora de proteger cargas
variables, como lo son los motores de inducción trifásicos, presentaran serios problemas de
regulación pues su circuito de salida está sintonizado para regular a cargas específicas.
Aunado a eso, presentan baja eficiencia [Voltage Regulators & Sags Correctors, Eaton].
- Fuentes Ininterrumpidas de Potencia (UPS):
Las UPS son el dispositivo más popular para corrección de sags y bajas tensiones.
Las UPS al momento de percibir un sag o una baja tensión invierten (mediante circuitos
inverters) la corriente directa de sus bancos de baterías internos a corriente alterna, esto
permite mantener la regulación de tensión a niveles apropiados durante un breve periodo de
hasta el corte del suministro eléctrico [Voltage Regulators & Sags Correctors, Eaton].
Sin embargo, su costo es elevado, además, cada evento de carga y descarga desgasta
los bancos de baterías incurriendo en costos de mantenimiento [Voltage Regulators & Sags
Correctors, Eaton].
- Conmutador de Transferencia Estática:
La estrategia de un Conmutador de Transferencia Estática es muy sencilla,
solamente se tiene que contar con dos sistemas, un sistema propenso a sags, bajas tensiones
y cortes de flujo de servicio eléctrico, y otro independiente. Así las cosas, cuando el primer
sistema entre en condición de baja regulación de voltaje, se hará conmutar al conmutador
para que tome la alimentación del proveedor independiente de voltaje, la duración de esa
conmutación es de aproximadamente medio ciclo. El empleo de este tipo de tecnología
conlleva el costo de alimentar al alimentador temporal. La eficiencia de este tipo de
tecnología es de aproximadamente el 99% [Voltage Regulators & Sags Correctors, Eaton].
- Reguladores de Voltaje de Cambio de Derivaciones:
Los Reguladores de Voltaje por cambio de Taps es muy sencillo, si se tiene una
cantidad de vueltas de primario y secundario fijas, pues, el voltaje de salida es predecible,
bajo condiciones de no saturación y en condiciones de magnetismo ideales, despreciando
flujos dispersos, etc. Sin embargo, si la relación de vueltas cambia así también cambiará el
voltaje de salida, así, el mecanismo de estos dispositivos es mediante dispositivos de
control se modificará mediante variación de Taps el voltaje de salida, de forma tal que la
regulación sea la requerida [The Automatic Voltage Regulator Guide & Comparisson,
Utility Systems Technologies].
Sin embargo, todos los dispositivos mencionados con anterioridad, sin ninguna
excepción, no son contemplados por el NEC, el cual es la legislación nacional en
instalaciones eléctricas. No solo los anteriores, sino que en general, el NEC 2008 no
contempla en ninguno capítulo, artículo, inciso, o si tan siquiera anexo, a los dispositivos
de protección contra sags, es más, no se hace mención alguna a este tipo de transitorios.
Así las cosas, al estar este trabajo estrictamente apegado a la norma nacional, lo más
que se puede hacer, a diferencia de los SPD que si están legislados por el NEC, es hacer
mención de los dispositivos reguladores de tensión y protectores contra sags presentados al
inicio de esta sección del capítulo en cuestión, no así presentar un criterio sólido de:
análisis según estándares (como estándar fundamental, el NEC 2008), esquema(s) de
protección, parámetros críticos, parámetros engañosos, selección según sus parámetros más
críticos, información adicional para selección estos dispositivos, y por supuesto, tener una
noción del costo asociado de un consumidor no potencial de estos esquemas de protección,
análisis que si se llevaron a cabo para con los SPD, sin embargo, por la gran limitación de
quedar fuera de la legislación costarricense, lo más que se puede hacer es reconocer su
existencia, describir su funcionamiento, y hacer mención de pro’s y contra’s de estos
dispositivos según varias casas de manufactura.
Capítulo 6: Conclusiones & Recomendaciones
6.1 Conclusiones
De manera puntual se acotarán las principales conclusiones del presente documento
a continuación:
1) Las posibles interacciones entre sistema de potencia y entorno que son capaces
de generar tensiones/corrientes transitorias son: descargas atmosféricas
(Escenario 1 o Escenario 2), ESD, o NEMP.
2) Las cargas no lineales son generadoras de componentes harmónicas de
corriente, debido a su naturaleza rectificadora de la forma de onda de
alimentación.
3) La conmutación de equipo reactivo (transformadores, capacitores de factor de
potencia) conllevan a tensiones transitorias frecuentemente del tipo Ring Wave,
mientras que la conmutación de equipo electromecánico conlleva con frecuencia
a transitorios del tipo EFT, la amplitud en ambos casos es estrictamente
dependiente del valor de la onda nominal a la hora de la conmutación,
presentándose el valor más alto si la conmutación se dio en el instante del valor
máximo de la onda nominal.
4) La trilogía de estándares IEEE C.62.41 define las tres localizaciones de
protección de una estructura o edificación como clase A, B & C, donde la clase
C es a la entrada del servicio eléctrico, la clase B es aguas adentro (los valores
de distancia no están claramente tipificados) habitualmente en subpáneles de
distribución y la clase A está contiguo a las cargas.
5) La onda Combination Wave de cortocircuito a 20 kA, es una onda de prueba
que emula muy adecuadamente la corriente transitoria generada por una
descarga atmosférica a la entrada del servicio eléctrico (localización C), sin
embargo, en el lado de la líneas de tensión, la emulación más adecuada la da la
onda de prueba de IEC 62305 10µs/350µs.
6) Las ondas de prueba para surge desplegadas en la trilogía de estándares IEEE
C.62.41 son: Ring Wave 10µs/100µs, Combination Wave 1.2µs/50µs &
8µs/20µs, EFT, Long Wave 10µs/1000µs.
7) La norma IEEE 1100: Emerald Book, establece además de las ondas de prueba
reconocidas por la trilogía IEEE C.62.41 a tensiones transitorias del tipo sags,
swell, así como a incrementos/decrementos de tensión más duraderos como las
ondas de sobretensión y las ondas de baja tensión (brownout), así como a
transitorios notching (ranurado).
8) Es relevante conocer un modelo que aproxime la característica de impedancia de
entrada y de salida del circuito, para de estar manera proteger cierta parte del
sistema de potencia de los efectos de frecuencias de resonancia.
9) Los surges son modificaciones subcíclicas de las formas de onda de voltaje (o
corriente) que pueden transmitirse por interacción entre componentes del
sistema de potencia (conmutación de equipos) o bien por interacción entre el
entorno y el sistema de potencia.
10) Se da inducción de surges por conmutación de equipos o por interacción con el
entorno, indistintamente de si el cableado es bajo tierra o a intemperie. Más aún,
pueden haber perturbaciones en régimen permanente o por un tiempo superior a
unos segundos, en cuyo caso los efectos negativos tales como el
sobrecalentamiento o la presencia de terceras y quintas harmónicas perdurará en
régimen permanente.
11) El espectro de frecuencia de transitorios surges indican que muestran un efecto
más influyente conforme se avance en el espectro de frecuencias.
12) Los surges de voltaje conllevan a: corrupción de la información, stress de
hardware y equipo electromecánico y en el peor de los casos, destrucción de
equipos conectados a la red.
13) Un SPD es un dispositivo para desvío de corrientes transitorias peligrosas y para
reducción de voltajes transitorios a magnitudes manejables por dispositivos
aguas adentro, según sea la ubicación con respecto al disyuntor principal así
estará determinado el tipo de SPD a ubicar.
14) Los SPD son regulados por estándares como la tercera edición de la UL1449, la
NEMA LS-1, la IEC 62305 y el NEC 2008.
15) Los SPD son dispositivos que se presentan en una variada gama de tecnologías,
como lo son tecnologías de varistores de óxido metálico (MOV’s), diodos de
silicio de avalancha (SAD’s), tubos de gas, spark gaps (> 1000 V), filtros RLC,
y TVSS. Todos con sus ventajas y desventajas. Sin embargo, manufacturas
como ERICO han desarrollado tecnologías discriminantes de transitorios (TD)
que no son capaces de mantener la audacia para reconocer los transitorios con
una menor dependencia del tiempo de aplicación.
16) Los SPD son dispositivos que no están exentos a exhibir información engañosa
por parte de las casas de manufactura, ejemplos de estos parámetros son:
disipación de energía y tiempo de respuesta.
17) Los parámetros fundamentales para especificar un SPD son: , VPR, MCOV,
SCCR, Stand-off Voltage y VPR durante instantes de .
18) A pesar de ser voltajes/corrientes transitorios o de régimen permanente, el NEC
2008 (estándar estatal) no regula los dispositivos para acondicionamiento de
voltaje ante eventos de bajo voltaje, ya sea de tipo sag, bajo-voltaje y en general,
ningún tipo de evento de reducción del valor rms de la onda de voltaje
transmitida respecto a la onda nominal.
6.2 Recomendaciones
Al igual que en las Conclusiones se mostrarán Recomendaciones puntuales.
i) Es inevitable el empleo de cargas reactivas en la industria, sin embargo, se
recomienda apegarse a lo dictado por el cobro de multas por distribuidores
de energía como por ejemplo el ICE, en donde se multa estar por debajo de
0.95 de factor de potencia. Esto para poder evitar perturbaciones en régimen
permanente como lo es un mal aprovechamiento de la energía que redunda
en calentamiento excesivo de los equipos y de su cableado, y con esto la
producción de falsos contactos (conmutación de equipos) y con estos
corrientes de falla, y todos ellos son surges de voltaje severamente nocivos
para los equipos de la red.
ii) Se debe tener claridad acerca de que los eventos surges son prácticamente
inevitables, sin embargo, son eventos que pueden prevenirse y así se puede
estar preparado de una manera adecuada, por esa razón se recomienda dictar
lo pautado por el Código Eléctrico Nacional (NEC 2008) en su artículo 285.
iii) Es fundamental que los dispositivos SPD en general sean cada vez más
robustos. Por esta razón se recomienda a cualquier profesional con voto que
integre parte del CIEMI “correr la voz” de lo valioso que sería realizar un
análisis a conciencia de la IEC 62305, una norma con estándares todavía
más robustos que desplegados por la misma 3ra edición de UL1449.
iv) Siempre a la hora de evaluar varios dispositivos SPD se deberá conocer si
las casas de manufactura cuentan con su propio laboratorio de pruebas, esto
pues, es fundamental conocer si dichas casas poseen los medios para poder
probar y conocer a fondo el desempeño de sus dispositivos.
v) Se debe elegir un SPD solamente según los parámetros claramente
tipificados por UL1449 edición 3 pues, el resto de parámetros no son
avalados por este estándar.
vi) Una razón más para acoger las normas IEC a nivel nacional respecto a
tensiones/corrientes transitorias es debido a que el NEC 2008 no hace
mención alguna si tan siquiera de eventos de baja tensión, lo cual impide
entonces tener una legislación a nivel nacional de dispositivos
acondicionadores de energía como lo son UPS, reguladores trifásicos de
voltaje, entre otros muchos, ni de estos, ni mucho menos de sus parámetros,
y así, los eventuales clientes serán potenciales compradores sin criterios
correctos de decisión.
133
BIBLIOGRAFÍA
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