Dispositivos de proteccion contra sobretensiones eléctricas

 Los dispositivos  de protección contra sobretensiones eléctricas, envían a tierra los  aumentos de voltajes transitorios, evitando que entren en los equipos  consumidores.

Dispositivos  de protección contra sobretensiones eléctricas

En respuesta a la necesidad de proteger los modernos y costosos aparatos electrónicos, contra las sobrevoltajes el mercado eléctrico diseño diversos equipos  de protección.  

Demanda de protección contra  sobretensiones transitorias

Los equipos de protección contra sobretensiones Surge Protective Device (SPD), se han venido incorporando,  y han modificado la forma tradicional de ver las instalaciones eléctricas.

sobretensiones eléctricas

Las sobretensiones transitorias son tan antiguas como la generación de la electricidad, tienen diversas causas y  origen, se denominan, picos de voltaje, transitorios y transientes.

Actúan de forma directa o indirecta viajan por los conductores, hasta los aparatos electrónicos.

Los (SPD) eliminan transientes, algunos de decenas de kilovoltios en  milésimas o millonésimas de segundos.

Surge Protective Device

La Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2015 de instalaciones eléctricas, establece requisitos generales, de instalación y conexión a supresores de sobretensión transitorias de 1000 volts o menos, en el  artículo 285  

No es coincidencia; se busco ser compatible con el NEC (National Electrical Code) de los Estados Unidos,  

La NOM 001 señala en 285.1 en la NOTA 3, Es conveniente consultar las especificaciones del fabricante para la aplicación, selección e instalación para cada caso en particular. 

Identificación de SPD por tipos

El NEC norteamericano identifica a los SPD o supresores, por tipo 1,2, 3 o 4; la clasificación depende de su aplicación  y la ubicación  dentro de nuestras viviendas.

El tipo I, para SPD instalados en la alimentación, en el contador de energía o en el interruptor principal (general), suele asignársele el término de apartarrayos secundario.

El tipo II para SPD localizados en tableros de distribución.

El tipo III para SPD ubicados muy cercanos a los consumidores como lo son los tomacorrientes con supresores de  picos.

Y el Tipo IV para SPD que toma en cuenta propiedades de los  componentes empleados y que son reconocidos por UL (Underwriters Laboratories)  tales como tipo hospital, con alarma, indicadores luminosos. 

Conexión de dispositivos de protección contra sobrevoltajes

Para  la calidad en la alimentación, se recomienda los tres tipos de  SPD, en contactos, tablero de distribución y acometida.

Protección de sobretensión en cascada 

 Se eliminan así la sobretensión en exteriores e interiores,  también los posibles sobrevoltajes residuales,  obteniendo la  denominada  conexión de  “protección en cascada”.

Sobretensión transitoria

 Una sobretensión transitoria es una elevación  de  voltaje muy por encima del nivel recomendado, que tiene una duración muy breve, y es capaz de dañar los equipos instalados.

Sobretensión transitoria

Cuando un aparato recibe voltaje por encima de su límite nominal, sus materiales aislantes se rompen y surgen arcos eléctricos, que dañan componentes e incluso pueden provocar explosiones.

Los sobrevoltajes tienen diversas causas y orígenes.

Los de mayor magnitud son eventos que pueden ocurrir a kilómetros de nuestro hogar,  son las descargas atmosféricas  y la operación de interruptores en las líneas de transmisión y distribución.

Sobretensiones de origen externo

Los sobrevoltajes viajan por los conductores de distribución y llegan por el cableado al  interior de nuestra casa.

Son eventos tan rápidos que los fusibles o disyuntores no funcionan con la prontitud necesaria, la sobretensión pasa a través de ellos,  y lleguen a los costosos equipos instalados. 

Ruta de sobretensiones por descargas atmosféricas

Los rayos producen las descargas más altas del orden de varios miles de voltios, y tiempos  muy breves de microsegundos.

 Ningún rayo es igual, crean  sobretensiones variadas,  donde la distancia, los materiales,  la acción directa o indirecta influyen,  para ejemplificar se dice que suelen ser  sobretensión de 3000 a 6000 voltios con un tiempo 100 μseg. 

Valor límite de sobretensión en aparatos domésticos 

 Un pico de tensión (aumento de voltaje)  o un transitorio (de poco tiempo) son términos asociados, y suelen ser empleados de forma separada para nombrar una sobretensión.

Olas de sobrevoltaje

En actividades de mantenimiento,  con la apertura y cierre de interruptores, se generan olas  de sobretensión de algunos milisegundos,  suelen ser breves,  su tiempo es de solo una pequeña parte de un semiciclo  (menor a 8 milisegundos), pero también los hay de mayor duración.

Las instalaciones eléctricas demandan actividades de mantenimiento

Otros causantes son los servicios públicos, como la puesta en marcha y salida de bombas de aguas, las fallas de equipos de distribución, como los cables flojos y cortos circuitos, los eventos naturales como la lluvia, inundaciones, la nieve, tornados, los accidentes con automotores  como caídas de postes y conductores, y el vandalismo.

Sobretensiones origen interno, neutro abierto

 Las sobretensiones de origen interno ocurren dentro de nuestras casas, fallas como conductores flojos o abiertos, cortos circuitos y actividades como el arranque y paro de motores.

Son de menor magnitud, pero pueden dañar equipos sensibles. 

Dispositivos de protección contra sobretensiones 

Hoy nuestros hogares tienen diversas instalaciones,  sistemas telefónicos, de cable, internet alámbrico, tuberías y sistemas de tierra, por ellas  viajan  las sobretensiones.

Para   salvaguardar los costosos equipos el mercado eléctrico ofrece dispositivos de protección contra sobretensiones, las regulaciones recomiendan  sean instalados por personal calificado y que los dispositivos sean  conectados en cascada, para la eficacia de la protección.

Varistor

 Un varistor es un componente electrónico de 2 terminales,  que cambia el valor de su resistencia en función del voltaje aplicado.

Varistor

 Tiene diversas aplicaciones, en este artículo se trata de su uso  para suprimir sobretensiones transitorias.

Las sobretensiones transitorias son picos de voltaje de varias decenas de kilovoltios  y de muy corta duración del orden de  microsegundos, denominados  transientes.

Los transientes viajan por los conductores hasta los modernos y costosos equipos electrónicos, dañando microprocesadores, circuitos digitales, discos duros, etcétera.

Sobrevoltaje transitorio

Las sobretensiones tienen diversas causas, ejemplos son,  las descargas atmosféricas directa e indirecta, sobrecarga por conmutación y los  cortes y retornos de la energía eléctrica.

Varistor VDR

Su nombre fue  compuesto de parte de dos palabras del  inglés “variable resistor”.

También se le  asignan las siglas VDR (voltage dependent resistor), de  “resistencia dependiente de voltaje”, para señalar su característica.

Un varistor no tiene polaridad, puede trabajar con corriente alterna o corriente directa.

En corriente alterna suprime picos positivos o negativos.

Siempre se deben conectar en paralelo respecto a la carga protegida. 

Es un semiconductor  que tiene características de resistencia no lineal.

Característica no lineal del Varistor

A tensión nominal presenta una resistencia  muy alta ( R = ∞Ω) ,  por él no circula corriente (existe corriente de fuga despreciable de valor cercano a cero), su resistencia disminuye a medida que aumenta la tensión aplicada.

Varistor eliminador de sobretensión

Ante una sobretensión transitoria el varistor trabaja con celeridad,  su resistencia baja, y permite que circule  corriente a través de él, descargado el pico de voltaje con rapidez  hacia tierra.

El varistor es el componente principal de los “dispositivo de protección contra sobrevoltaje”, Surge Protective Device (SPD), la tecnología  más empleada como estándar industrial es el varistor de óxido metálico “MOV” (Metal Oxide Varistor).

Surge Protective Device

Los modernos y costosos equipos, requieren alimentación de calidad, los dispositivos de protección contra sobretensiones, están presentes en las nuevas instalaciones eléctricas y modifican las antiguas.

Protección contra sobretensiones 

El varistor se hace presente a través de dispositivos de protección  contra sobretensiones transitorias en millones de equipos e instalaciones.

Apartarrayos

 Los  apartarrayos, son dispositivos que eliminan las sobretensiones eléctricas transitorias,  evitando que estas entren al transformador de una subestación eléctrica  descargándolas a tierra.

Apartarrayos

Los rayos que caen  sobre la red o cerca de ella, aportan cargas eléctricas que generan perturbaciones electromagnéticas,  creando sobretensiones que pueden destruir transformadores y equipos instalados.

Sobretensiones Transitorias (transientes)

Las sobretensiones transitorias son picos con valores de decenas de Kilovoltios y  que alcanza   su valor máximo en 1.2 microsegundos.

Esto ocurre en menos de un ciclo.

Ante esto, se han ideado supresores de  sobre voltajes de  descargas atmosféricas, llamados de manera técnica como apartarrayos. 

En los Estados Unidos de Norteamérica el nombre lightnining arrester (nuestro supresor de rayos) es considerado antiguo, el nuevo término es surge arrester (supresor de sobretensión). 

La razón es que este dispositivo  también actúa por  sobretensiones producidas en la operación de  apertura prolongadas de interruptores.  (switching).

Switching

El siguiente enlace nos muestra operación de interruptores en una subestación, esta acción de  mantenimiento,  crea  sobretensión por conmutación en las líneas de distribución.

https://www.youtube.com/watch?v=4-Lu1vnH_d8

Surge arrester

Los apartarrayos van conectado permanentemente entre  las líneas de fase y tierra, en el lado de alta tensión y muy cercanos al trasformador.

Ubicación de apartarrayos

Su símbolo representa a 2 terminales de contacto sin continuidad, ya que en condiciones normales se comporta como un interruptor abierto, que no permite el paso de corriente atreves de él.

Diagrama básico de un apartarrayos

Ante  un sobre voltaje ofrecerá un camino a tierra, y se comportara como si fuera un interruptor cerrado.

Comportamiento del apartarrayos

Una vez disipada la cantidad de sobretensión, parara  el flujo a tierra, y regresa  a su estado inicial.

 La acción anterior no deberá destruir el apartarrayos, y debe ser repetido el proceso automáticamente,  cuantas veces se vuelvan a presentar las condiciones.

En esencia al apartarrayos lo podemos considerar como un interruptor limitador de voltaje  automático, que se cierra por alto voltaje y abre cuando regresa la tensión a valores nominales prestablecidos.

Etapas de operación apartarrayos

Un apartarrayos pone límites a la tensión eléctrica que alimenta una subestación, suprimiendo los eventuales sobre voltajes.

Razón por lo cual es el primer elemento de una subestación, ubicado  solo después de los aisladores que soportan los cables.

Diagrama de subestaciones

 Existen variedad de tipos de apartarrayos, el “tipo auto valvular”, se utiliza en sistemas con grandes tensiones, el de “resistencia variable” se emplean en sistemas de distribución de tensiones medianas.

Apartarrayos con tecnología MOV

Estos últimos en  su interior suelen  contener limitadores de sobretensión con tecnología de  “Varistores de Óxidos Metálicos”, que  tienen características de resistores no lineales, los hay con o sin explosores integrados,  y  están cubiertos en envolventes de porcelana o  polímeros (hule silicón).

Centro Mexicano Francés del Conalep, en Gómez Palacio, Durango.

Los apartarrayos protegen activos de gran valor, por lo que se deben instalar los de mejor calidad, que cumplan con los requisitos establecidos por regulaciones y siempre deben ser instalados por personal calificado.

En México la Norma Oficial Mexicana nom-001-sede-2012, de instalaciones eléctricas en el artículo 280, señala las regulaciones para “Apartarrayos de más de 1000 Volts”.

Mi agradecimiento por las aportaciones de mi amigo, el Ingeniero Horacio Gutiérrez Sánchez, de SENSA (Servicios Eléctricos del Nazas S.A.) de Torreón Coahuila, e instructor del Centro Mexicano Francés del Conalep.