Notas de Ingeniería. Sobretensión de Transitorios y Tecnologías de Supresión: Una Comparación de Manzanas y Peras

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1 Notas de Ingeniería TÍTULO PÁGINA Sobretensión de Transitorios y Tecnologías de Supresión: Una Comparación de Manzanas y Peras Supresores de Varistores de Óxido de Metal (MOV) Contra Supresores de Diodos de Avalancha de Silicio (SASD) 2 Sobretensión de Transitorios (Definición y Explicación) 7 Por Qué las Redes de Filtros no Pueden Proporcionar Proteccíon Adecuada Contra la Actividad Transitoria? 8 Qué Tan Confiables Son Las Clasificaciones de Alta Capacidad de Supresión de Sobrecorriente? FAX sales@transtector.com Rev0

2 Sobretensión de Transitorios y Tecnologías de Supresión de Transitorios: Una Comparación de Manzanas y Peras Supresores de Varistores de Óxido de Metal (MOV) Contra Supresores de Diodos de Avalancha de Silicio (SASD) La única función de un supresor de transitorios de buena calidad es proteger el equipo electrónico sensible contra sobretensiones transitorias que están presentes en los circuitos de potencia de CA. No importa si dichas sobretensiones sean generadas por la actividad atmosférica o si sean inducidas sobre las líneas de potencia de CA por la conmutación de red de la central eléctrica, las acciones de corrección del factor de potencia, los ciclos de potencia de cargas inductivas, o por otras fuentes. Debe limitar las sobretensiones transitorias a valores que no sobrepasen los picos de la onda senoidal de CA por más del 30% cuando absorba inicialmente cantidades intensas de energía transitoria. El supresor debe responder inmediatamente a los transitorios antes de que los impulsos lleguen a sus valores de voltaje más elevados. También, sus características de desempeño no deben desviarse o degradarse con el uso o a través del tiempo a medida que suprima niveles muy altos de energía transitoria. Las sobretensiones transitorias son estandarizadas por diferentes formas de onda. La industria de supresión de transitorios ha adoptado el documento IEEE C de la Sociedad de Ingeniería de Potencia del IEEE, con el título IEEE RECOMMENDED PRACTICE ON SURGE VOLTAGES IN LOW-VOLTAGE AC POWER CIRCUITS, como la norma para someter a pruebas a los supresores de transitorios. Esta guía sugiere varias formas de onda de voltaje y corriente que se pueden utilizar para someter a pruebas a los dispositivos de supresión. La forma de onda del IEEE utilizada con más frecuencia es la Onda Combinada. La onda combinada está caracterizada por formas de onda de corriente (8/20ms) y voltaje (1.2/50µs) de corta duración y alta frecuencia que típicamente son utilizadas para simular la actividad transitoria inducida por descargas atmosféricas. Los impulsos de prueba de corriente y voltaje de mayor duración, energía, y menor frecuencia (10/1000µs), también detallados dentro de la misma documentación del IEEE, son recomendados para simular la actividad transitoria distinta a los rayos. Los supresores de transitorios de buena calidad, sin importar su tecnología de supresión, deberían estar sometidos a prueba tanto con las formas de onda de corta duración como con las de larga duración. La onda combinada consiste en dos formas de onda de muy corta duración. Estos son impulsos de voltaje en circuito abierto (1.2/50µs) y corriente de cortocircuito (8/20µs). Los niveles reales de voltaje y corriente son seleccionados en referencia a la ubicación dentro del sistema de distribución eléctrica donde el supresor de sobretensión va a ser utilizado. Las ondas combinadas se muestran abajo. Cuando se utilizan dichas formas de onda para someter a pruebas a los supresores de transitorios, un supresor se conecta a un circuito abierto. Luego se somete a un impulso de sobrevoltaje que sube al 90% de su amplitud pico en 1.2 microsegundos. El voltaje baja al 50% de dicho valor después de 50 microsegundos. Un impulso de corriente que llega a su valor máximo en 8 microsegundos y baja al 50% en 20 microsegundos, es pasado a un cortocircuito donde el supresor está conectado. La onda combinada proporciona un punto de partida para analizar las características de desempeño de un Cuadro 1. Como esta generación tiene una impedancia interna de 20Ω, el valor máximo de corriente será de 3000A. El supresor es conectado al generador para pruebas. 2

3 supresor, incluyendo los puntos de fijación iniciales, o Niveles de Voltaje de Protección (VPL), y las capacidades de disipación de potencia. Desgraciadamente, los impulsos de prueba de corta duración no aportan lo suficiente para darle al usuario del supresor una idea clara de como va a funcionar cuando tenga que suprimir actividades transitorias en campo (o sea fuera del laboratorio) que fatigan más al supresor y que no son causadas por rayos. Son estos impulsos que los supresores de transitorios tienen que suprimir con más frecuencia en los ambientes reales de los usuarios. Dicha actividad transitoria típicamente está caracterizada por formas de onda de frecuencia más baja (hasta 1 khz) de 10/1000µs. Estas son las sobretensiones transitorias generadas dentro de los edificios debido a la conmutación de red de la central eléctrica, los ciclos de potencia de cargas inductivas, etc. Las formas de onda de laboratorio utilizadas para simular esta actividad transitoria se muestran a continuación. Cuadro 2 La naturaleza física del sistema de distribución eléctrica limita que tan lejos los rayos inducidos u otras sobretensiones transitorias de corta duración puedan viajar a través del circuito eléctrico. Se requieren voltajes transitorios de extremadamente alto valor para conducir la sobrecorriente de alta energía hacia el interior de un edificio. Los voltajes transitorios están limitados (típicamente a 6000 voltios) en la base del medidor, lo que evita que dichas corrientes se propaguen tanto, hacia el interior del edificio. Sin embargo, la mayoría de los transitorios surgen de fuentes distintas a los rayos y es mucho más probable que viajen distancias más largas a través del sistema de potencia de CA. Estas sobretensiones transitorias son más dañinas a las cargas eléctricas porque no son atenuadas a través de las distancias más cortas en comparación con los impulsos inducidos por rayos. Cuadro 3 Aunque es muy importante que un supresor de transitorios sea capaz de suprimir impulsos simulados en laboratorio y/o generados por la actividad atmosférica, es igual de importante o hasta más importante que el supresor tenga un buen funcionamiento cuando suprima transitorios de larga duración. Los supresores destinados a proteger en los tableros secundarios o en las tomas eléctricas tendrán que suprimir la actividad transitoria de larga duración con más frecuencia que la actividad inducida por rayos. El supresor debe mantener sus funciones de supresión y disipar la energía contenida dentro de las formas de onda transitorias de mucho mayor duración. Un supresor de buena calidad debe ser diseñado para tener un buen desempeño sin importar que suprima transitorios de corta o de larga duración. Los supresores de transitorios se deben someter a pruebas con las formas de onda de laboratorio tanto de larga como de corta duración para confirmar estos requerimientos de supresión. Los supresores de transitorios hechos por diferentes fabricantes utilizan varias tecnologías de supresión incluyendo selenio, tubos de gas, varistores de óxido de metal (MOVs), diodos supresores de avalancha de silicio (SASDs), o combinaciones de estos como sus componentes de supresión. Sin embargo, la mayoría de los supresores utilizan o MOVs o SASDs, o una combinación de los dos. Por consiguiente, es muy importante hablar de las ventajas y desventajas de las dos tecnologías de supresión más comunes. Varistores de Óxido de Metal (MOVs) Los MOVs son resistores variables no lineales con propiedades de semiconductores. Típicamente son construidos con fragmentos de óxido de zinc que producen características resistivas no lineales. Las partículas de óxido de metal resultantes se comprimen bajo presión muy alta para formar discos de varios tamaños. Los terminales eléctricos son unidos a los discos y el componente terminado está cubierto con un material aislante. La característica de limitación de voltaje de los MOVs tiene que ver con la suposición de que a medida que el varistor conduce corriente transitoria, su 3

4 resistencia interna incrementa o disminuye inversamente y proporcionalmente para mantener una caída constante de voltaje a través del MOV. Desgraciadamente, sus características resistivas no lineales excluyen cambios simétricos de resistencia en relación con desviaciones de la corriente suministrada. Como resultado, la caída de voltaje a través del MOV incrementa dramáticamente a medida que el varistor conduce valores mayores de corriente. Originalmente los MOVs fueron diseñados para proteger los devanados de motores eléctricos, y para proteger contra la ruptura de aislamiento del alambrado. Hay dos ventajas asociadas con los MOVs en relación con los supresores de transitorios. Son económicos y disipan valores razonablemente altos de corriente transitoria. Los supresores seleccionados para proteger en puntos específicos a través del sistema de distribución eléctrica deben ser calibrados según su ubicación física. Se deben utilizar productos de disipación de mayor energía en los puntos principales de distribución en comparación con los tableros secundarios o en las tomas eléctricas. Aun así, los supresores destinados a proteger desde un tablero principal de exposición baja o un tablero secundario dentro de cualquier instalación rara vez requieren ser diseñados para suprimir más de 3000 amperios de corriente transitoria. Esto es debido a que los huecos en la base del medidor están diseñados para limitar el voltaje requerido para conducir las corrientes externas que exceden estos niveles hacia el interior del sistema de distribución eléctrica de la instalación. La gráfica muestra que se requieren voltajes de alto nivel, sobrepasando los 6000 voltios, para impulsar la sobrecorriente que excede 5000 amperios, más de 10 metros hacia el sistema de distribución eléctrica (según IEEE C ). Numerosas desventajas empiezan a ser evidentes cuando los supresores hechos con MOVs se utilizan para proteger la circuitería electrónica sensible. 1) El supresor fabricado con MOVs no puede mantener un nivel de voltaje de protección (VPL) estable a medida que conduce valores mayores de corriente. No puede cumplir con el requisito de limitar las sobretensiones transitorias a valores que no sobrepasen los picos de la onda senoidal por más del 30% a medida que el dispositivo conduce niveles mayores de corriente transitoria. La gráfica al lado demuestra dicha deficiencia. Note que la curva que representa la acción de recorte del MOV se desestabiliza a medida que conduce corriente transitoria de mayor duración. Para propósitos de comparación, note también que un supresor fabricado con SASDs no sufre de las mismas desventajas, como demuestra la curva que representa la supresión del SASD de la actividad transitoria de alta corriente. Cuadro 4 Algunos productos de supresión hechos con MOVs afirman capacidades muy altas de sobrecorriente, hasta 300,000 amperios, sin mencionar el nivel de voltaje de protección. Estas cifras parecen ser muy impresionantes. Sin embargo, un análisis más a fondo revela que esta práctica es engañosa en el mejor de los casos, y con frecuencia sin sentido. El MOV individual frecuentemente se evalúa con clasificaciones razonablemente altas de sobrecorriente pico. Si un producto utiliza múltiples MOVs de 20mm conectados en paralelo como se muestra abajo, con frecuencia los fabricantes simplemente suman las clasificaciones de corriente de los componentes de MOVs individuales para afirmar capacidades totales e impresionantes de supresión. Es como decir que las llantas de su carro viajarán 200,000 millas porque cada llanta es de 50,000 millas radiales. Simplemente no es verdad ya que llega a ser imposible coordinar la conducción simultánea de múltiples MOVs debido a la variación de tolerancias de los componentes y ciclos de degradación. Aún cuando el supresor esté construido con MOVs de 32mm ó 40mm capaces de suprimir valores mucho mayores de corriente, sigue siendo difícil determinar los verdaderos niveles de voltaje de protección al máximo valor nominal de corriente. Es muy probable que el VPL sea de un valor tan alto Cuadro 5 4

5 que el supresor no pueda realizar su función de proteger el equipo electrónico. 2) Los varistores de óxido de metal se degradan con el uso. Las trayectorias de conducción de corriente del MOV son a través de partículas de óxido de zinc. Dichas partículas se debilitan a medida que sus características resistivas cambian después de conducir corriente. El ciclo de degradación llega a ser más profundo a medida que el MOV conduce con más frecuencia y a medida que conduce valores mayores de corriente. Aunque los MOVs más grandes son más robustos, continúan siendo afectados por los mismos problemas. Cuadro 6 El diagrama al lado compara la vida esperada de un MOV de 20mm con uno de 32mm después de un solo impulso. Note que aunque el MOV de 20mm puede aguantar mil impulsos de corriente de 500 amperios (8/20µs), se autosacrifica al suprimir solo un impulso de sobrecorriente de 6,500 amperios (8/20µs). Su capacidad de sobrecorriente disminuye significantemente a medida que se somete a los impulsos de corriente transitoria más comunes, los de duración más larga 10/ 1000µs. En esta situación se puede esperar que el MOV de 20mm falle al ser sometido a solamente mil impulsos de corriente de 40 amperios (10/1000µs) y cuando tiene que suprimir un solo impulso de sobrecorriente de 200 amperios (10/1000µs). El MOV de 32mm es un poco más robusto pero no mucho. Puede manejar un impulso de 20,000 amperios y hasta mil pulsos de 900 amperios (8/20µs) pero solo un impulso de corriente de 450 amperios con la 10/1000µs. Cuando el MOV de 32mm tiene que suprimir mil impulsos de sobrecorriente de 10/1000µs, su capacidad máxima de sobrecorriente baja a un valor de apenas 50 amperios, y en este punto falla. Las partículas de óxido de cinc se fusionarán, formando áreas de superficie cada vez más amplias (pools), similar a lo que ocurre cuando los MOVs entran en modo de falla de fuga térmica, o incrementarán su resistencia (quemándose) hasta que la conducción de corriente ya no se puede lograr. A la larga, el MOV pondrá en cortocircuito al circuito de potencia protegido, o más probable, cortará totalmente la conducción de corriente. Los ciclos típicos de degradación del MOV empiezan cuando el componente deja de conducir corriente en su punto original de recorte, resultando en niveles más altos de voltaje de protección (VPL). Los VPLs continúan incrementando a medida que los MOVs siguen degradándose. Con el tiempo, los valores de voltaje requeridos para activar el MOV llegarán a niveles tan extremos que lo vuelve inútil. En otras palabras, a medida que el MOV se deteriora al final dejará de funcionar. En algunos casos, el MOV ya no funciona como varistor sino como resistor. Dicho resistor puede calentarse a medida que conduce corriente y así presentar un riesgo de incendio. En cualquier caso, no se proporciona protección alguna contra transitorios para las cargas electrónicas críticas en el circuito de potencia afectado. La mayoría de los fabricantes de los componentes de MOVs (no los supresores en si) les avisan a los usuarios que se considera que el componente ha fallado después de que su VPL inicial haya tenido un cambio de +/- 10% de su valor original. 3) Los varistores están sujetos a condiciones de fuga térmica cuando sus puntos iniciales de fijación o VPLs se establecen demasiado cerca al voltaje nominal de la línea de CA. En estas situaciones conducen corriente inapropiadamente. Los MOVs conducen pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando están instalados a través de una fuente de potencia de CA. Conducen más corriente cuando el VPL está configurado más cerca al valor de voltaje pico de la onda senoidal de CA. A medida que continúa la conducción, la temperatura interna del MOV se eleva y conduce valores de corriente aún más altos. A través del tiempo, este proceso continúa hasta ponerlo en cortocircuito. Esto sobrecarga a los circuitos eléctricos, causando que los interruptores automáticos se abran, y puede disparar a los interruptores accionados por pérdida de conexión a tierra. Se han documentado incendios 5

6 causados por los supresores hechos con MOVs por razones de trastornos de fuga térmica. Para evitar estos modos de falla catastróficos, el VPL inicial de los productos de supresión fabricados con MOVs y diseñados apropiadamente, por lo general se configuran con valores más altos, así eliminando la habilidad del dispositivo de proporcionar protección adecuada contra transitorios. Diodos Supresores de Avalancha de Silicio (SASD) Los Diodos Supresores de Avalancha de Silicio (SASD) son verdaderos semiconductores de estado sólido, al igual que los componentes de la circuitería sofisticada del equipo electrónico moderno. Los SASDs tienen como propósito proteger dichos dispositivos. Los supresores de transitorios fabricados con SASDs no están afectados por limitaciones de voltaje de protección ni problemas de fuga térmica. Las ventajas asociadas con la utilización de SASDs en los dispositivos de supresión en comparación con otras tecnologías de supresión son numerosas. Los SASDs responden rápidamente a las sobretensiones transitorias. En otras palabras, se activan más rápido que los MOVs. Las sobretensiones transitorias están caracterizadas por su tiempo de subida muy rápido. Un supresor de calidad debe responder lo suficientemente rápido como para evitar que las sobretensiones transitorias lleguen a un posible voltaje lo suficientemente alto como para degradar a los componentes electrónicos, interrumpir la operación del equipo, o dañar a las cargas críticas. Los SASDs responderán, en teoría, a la actividad transitoria en picosegundos (un trillonésimo de un segundo). Sin embargo, no hay ninguna manera física de medir estos tiempos de respuesta, y llegarán a niveles de nanosegundos (un billonésimo de un segundo) por la inductancia introducida en el circuito de supresión con los terminales de los componentes, empalmes de soldadura, etc. Tomando en cuenta estas consideraciones, se puede esperar razonablemente que un supresor de transitorios fabricado con SASDs mostrará un tiempo de respuesta dentro del circuito de 5 nanosegundos o menos. En comparación, los dispositivos de MOVs también son relativamente rápidos al responder a las sobretensiones transitorias, pero en realidad su tiempo de respuesta dentro del circuito baja a los niveles de 35 a 50 nanosegundos. Un supresor de transitorios debe ser diseñado para suprimir tan cerca como sea posible al valor de voltaje pico de la onda senoidal de CA, aún cuando disipa niveles extremadamente altos de energía transitoria. Aquí se ve una de las desventajas asociadas con los productos de supresión fabricados con SASDs. Los diodos individualmente no pueden disipar mucha energía. Un supresor de SASD diseñado correctamente tiene que incorporar muchos diodos para realizar sus funciones de supresión sin que se autosacrifique en el proceso. El supresor que resulta llega a ser físicamente de tamaño mayor y por lo general es más costoso que el supresor hecho con MOVs. La coordinación de la conducción simultánea de los circuitos de SASDs no está sujeta a las mismas dificultades que son presentes en los diseños de MOVs. Las líneas de productos de supresión fabricadas con SASDs no tienen ninguna dificultad en mantener un nivel de voltaje de protección estable en cualquier ubicación a través del sistema de potencia de CA mientras conducen valores máximos de corriente. También es importante señalar que los fabricantes de supresores sin diodos por lo general limitan las pruebas de sus productos a impulsos de corriente de corta duración, 8/20µs, utilizados para simular aquellos impulsos generados por rayos. Con frecuencia no someten sus dispositivos a pruebas con impulsos de onda larga, 10/1000µs, los cuales el supresor tendrá que suprimir día con día fuera del laboratorio. Una razón para evadir los impulsos de prueba de alta energía es que pueden dañar a los productos de supresión sin diodos, antes de haber llegado a los consumidores que los compran. Los productos fabricados con SASDs no se degradan con el uso ni a través del tiempo. Mientras no se excedan sus capacidades de disipación de energía, funcionarán para siempre. Los supresores de SASD de calidad no deben ser diseñados para autosacrificarse durante un evento típico de sobretensión transitoria. Un supresor de transitorios de buena calidad hecho con SASDs debe incorporar suficientes diodos como para manejar las corrientes transitorias a las cuales estará sometido bajo condiciones transitorias tanto normales como extremas. Algunos fabricantes de supresores producen dispositivos que utilizan tanto SASDs como MOVs en sus diseños híbridos. Esto es un intento de aprovechar las ventajas de las características de desempeño positivas, y eliminar las desventajas negativas asociadas con las tecnologías individuales de supresión. Por ejemplo, los circuitos de SASDs pueden ser utilizados para aprovechar los tiempos de respuesta superiores y nivel de voltaje de protección estable, y las etapas de MOVs se incluyen para manejar los requerimientos de disipación de alta energía. Estos diseños por lo general utilizan menos SASDs en comparación con productos totalmente de SASDs. Este parámetro de diseño frecuentemente se realiza para el propósito de sacar mayor rendimiento económico relativo al diseño con puros SASDs. Sin embargo, debido a las características operacionales tan distintas de las dos tecnologías distintas, estos parámetros de desempeño de diseños híbridos no cumplen con sus objetivos deseados. Las etapas de los MOVs no pueden ser coordinadas para conducir confiablemente en conjunto con las etapas de 6

7 los SASDs. Las mismas razones mencionadas en referencia a la coordinación simultánea de conducción entre los componentes individuales de MOVs explican por que. Con frecuencia, resulta una falla prematura del supresor de las etapas de SASDs porque simplemente no incorporan suficientes diodos para disipar niveles adecuados de energía transitoria. Las etapas de los MOVs continúan funcionando pero siguen siendo afectadas por las mismas deficiencias de los productos con puros MOVs. Los supresores de transitorios diseñados correctamente utilizando 100% SASDs como su única tecnología de supresión, evitan la necesidad de diseños híbridos. Sobretensión de Transitorios (Definición y Explicación) La definición de un sobretensión de transitorios se refiere a la respuesta de los capacitores o inductores a cambios rápidos de voltaje o corriente. Un cambio rápido de voltaje a través de un capacitor produce una amplia sobrecorriente. El nivel de corriente depende del tamaño del capacitor y de la velocidad del cambio de voltaje. Se utiliza la siguiente fórmula para calcular las corrientes transitorias asociadas con los circuitos capacitivos. I = C dv/dt A medida que el tiempo (dt) disminuye, la amplitud de la corriente (I) incrementa. La misma relación básica también es aplicable para un inductor. Con este, un cambio rápido de corriente resulta en un sobrevoltaje transitorio muy amplio, como se puede ver con la siguiente fórmula. -V = L di/dt Al analizar los efectos dañinos de los transitorios, se debe saber en que parte el transitorio fue inducido sobre la onda senoidal de CA. Los valores de los voltajes transitorios se agregan a los voltajes instantáneos de la onda senoidal. Los dispositivos de carga en el circuito de potencia de CA se someten momentáneamente a dicho valor total de sobrevoltaje. En algunos casos un transitorio inducido sobre el punto de cruce del eje cero no será perjudicial, mientras que el mismo transitorio inducido sobre el pico de la onda senoidal puede ser muy dañino. Por ejemplo, el valor pico de una onda senoidal de 120 VRMS es voltios. Un transitorio que mide 150 voltios inducido sobre el pico de dicha onda senoidal agregará 150 voltios al valor pico de la onda senoidal de Por consiguiente, un voltaje total de será pasado al equipo de carga en este ejemplo. Los sobrevoltajes de estos niveles pueden interrumpir la operación del equipo sensible. Por otro lado, el mismo transitorio de 150Vp que ocurre en el punto de cruce del eje cero de la onda senoidal sujeta a los dispositivos de carga a un valor de voltaje instantáneo no dañino de solo 150V, el cual está contenido adentro del nivel aceptable de voltaje de la onda senoidal de CA. Numerosos estudios realizados durante los últimos 25 años han identificado la actividad transitoria como la anomalía de potencia de CA más común en causar interrupción o daños a las cargas electrónicas críticas. G.W. Allen y D. Segall de la División de Desarrollo de Sistemas de IBM realizaron uno de los estudios más respetados. Monitorearon la potencia de CA de 200 sitios donde había equipo de IBM instalado y operando, en 25 ciudades a través de los Estados Unidos. Registraron el número de anomalías de potencia de CA que interrumpieron la operación del equipo durante un periodo de dos años. Presentaron sus resultados al IEEE/PES en enero de Su estudio fue resumido en el Documento de Conferencia #C del IEEE. Aunque este estudio es muy antiguo, todavía sirve como una buena referencia ya que fue muy meticuloso y porque fue realizado por profesionales que trabajan independiente a la industria de tratamiento de potencia de CA. Allen y Segall agruparon a la actividad transitoria en dos categorías. Los picos de voltaje (transitorios de impulso) eran aquellos inducidos por la actividad atmosférica. Esta anomalía está caracterizada por niveles de voltaje y corriente muy altos, y de corta duración. La otra categoría, los transitorios de decaimiento oscilatorio, son aquellos generados por los ciclos de potencia de las cargas inductivas, las actividades de conmutación de rejilla de la central eléctrica, la corrección del factor de potencia, y por numerosas fuentes internas del sitio. Algunas fuentes internas de sobrevoltajes transitorios son los estabilizadores electrónicos de lámparas fluorescentes, el aire acondicionado, los 7

8 arrancadores de hornos, los centros de control de motores, y las copiadoras, entre otras. Se difieren de los transitorios inducidos por rayos en que típicamente son impulsos de voltaje y corriente de menor valor, que duran hasta 50 veces más tiempo. Una gráfica que resume los resultados de este estudio se encuentra a continuación: El estudio de Allen-Segall concluye que el 88.5% de los problemas de CA se relacionan con los transitorios. Allen y Segall encontraron que los problemas de potencia más perjudiciales son los transitorios de decaimiento oscilatorio, los cuales ocurrieron 62.6 veces por mes y representan 49% del número total de las anomalías de potencia de CA. Estos son ejemplos de transitorios de larga duración no atmosféricos. Los picos de voltaje inducidos por rayos, o transitorios de impulso, ocurrieron 50.7 veces por mes, representando 39.5% del número total de los problemas de potencia de CA. A diferencia, los apagones de potencia contaron por solo.5% de los trastornos del equipo mientras que las subidas y caídas temporales de voltaje fueron responsables por otro 11% de los problemas de potencia de CA. Los sistemas de distribución eléctrica no han cambiado importantemente desde los años setenta, mientras que el equipo eléctrico y electrónico ha llegado a ser mucho más sofisticado. Ahora, los apagones de potencia están llegando a ser menos frecuentes mientras que la distorsión armónica ha llegado a ser una gran preocupación para los usuarios del equipo. La actividad transitoria también ha llegado a ser una amenaza cada vez mayor para los dispositivos de cargas eléctricas y electrónicas de punta. Un supresor de transitorios de buena calidad limita la amplitud de los sobrevoltajes transitorios en todo momento, sin importar sus puntos de origen, a niveles que no son perjudiciales a las cargas eléctricas y electrónicas. Por Qué las Redes de Filtros no Pueden Proporcionar Protección Adecuada Contra la Actividad Transitoria? Las características operacionales de los filtros dependen de la frecuencia. Son diseñados para atenuar voltajes de ruido que ocurren dentro de una banda de intervalos repetitivos de frecuencia a amplitudes de voltaje y corriente relativamente bajas. No pueden proteger adecuadamente a las cargas electrónicas críticas contra los sobrevoltajes transitorios inducidos por rayos, ni por aquellos generados por fuentes no atmosféricas. La definición de ruido, referente a un sistema de distribución de potencia de CA, es: una señal de bajo voltaje y baja corriente caracterizada por un patrón de frecuencia repetitiva que viaja sobre la onda senoidal de 60 Hz. Típicamente mide menos de 50 voltios/pico y sus valores de corriente por lo general no se extienden más allá de los miliamperios. Un filtro ideal utilizado en las líneas de potencia de CA, tendría la habilidad de atenuar todos los voltajes de ruido por encima y debajo de la frecuencia fundamental de 60 Hz, desde CD (corriente directa) hasta frecuencias de luz. Desgraciadamente, es poco práctico diseñar un filtro que cumpla con dicha especificación. En realidad, todos los diseños de filtros proporcionarán atenuación máxima a una frecuencia especificada y entregarán niveles menores de atenuación para las frecuencias de ruido por encima y debajo de esa frecuencia central. Los fabricantes de filtros pueden diseñar sus productos para proporcionar atenuación máxima a una forma de onda de prueba específica, para así justificar sus productos como supresores de transitorios. En estos casos, las redes de filtros pueden estar diseñadas para proporcionar atenuación máxima a un Ring Wave de 0.5µs-100kHz, o a una forma de onda de 1.2/50µs, así como a un impulso de corriente de 8/20µs, los cuales están utilizados por la industria de supresión como parámetros de prueba. El Ring Wave de 0.5µs-100kHz se define en el IEEE C (IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits). Es utilizado para someter a pruebas a los productos de supresión que son destinados a proteger en tomas de corriente eléctrica. 8

9 Las formas de onda de 1.2/50µs y 8/20µs también se definen en el IEEE C Constituyen la Onda Combinada Estándar de 1.2/50µs-8/20µs del IEEE, utilizada para someter a pruebas a los supresores destinados a proteger en tableros de distribución principales y secundarios. La forma de onda 1.2/50µs es un impulso de voltaje en circuito abierto que llega a su valor pico en 1.2µs y se disminuye al 50% del valor de voltaje pico después de 50µs. Para someter a pruebas a un supresor de transitorios de la forma más adecuada, inicialmente el dispositivo debe estar probado con dicha forma de onda de voltaje, pero también se debe someter a pruebas con la forma de onda de corriente asociada, la de 8/20µs. Para determinar adecuadamente como va a funcionar un producto de supresión en aplicaciones del mundo real (o sea fuera del laboratorio) debe estar sometido a pruebas con impulsos de 10/1000µs. Los parámetros de la forma de onda de larga duración también se encuentran dentro de IEEE C Dicha forma de onda se puede utilizar como una prueba de fatiga para determinar el desempeño de los supresores bajo el peor de los casos. La mayoría de los fabricantes de filtros/supresores no someten sus dispositivos a pruebas con este impulso largo y sus productos no tienen un buen desempeño cuando están sometidos a dicha prueba de fatiga de larga duración. Un filtro no puede proporcionar protección adecuada contra la actividad transitoria. Esto es debido a que los transitorios difieren del ruido en que son impulsos de alto voltaje y alta corriente que no dependen de la frecuencia. La definición de un transitorio es: un incremento repentino, o incrementos repentinos, de energía al azar, que duran menos de medio ciclo de la entrada de CA, los cuales están inducidos sobre cualquier porción de la onda senoidal de CA. Demuestran tiempos de subida muy rápidos. Pueden llegar a su amplitud máxima de voltaje en un (1) microsegundo, y típicamente no demuestran ningún patrón identificable de frecuencia repetitiva. Los transitorios inducidos por rayos se caracterizan por formas de onda de muy corta duración. Sin embargo, la mayoría de los transitorios surgen de otras fuentes. Los sobrevoltajes transitorios resultan de las actividades de conmutación de red de la central eléctrica, acciones de corrección de factor de potencia, y de los ciclos de potencia de cargas inductivas. La mayoría de los sobrevoltajes transitorios que no son inducidos por rayos demuestran duraciones mucho más largas, hasta de un milisegundo completo o más. Por consiguiente, los sobrevoltajes transitorios pueden presentar elementos de frecuencia tanto altos como bajos. Los sobrevoltajes inducidos por rayos demuestran componentes de frecuencia más altos que aquellos generados por las actividades no atmosféricas. Un filtro destinado a proteger contra transitorios de larga y corta duración tendría que ser capaz de proporcionar atenuación máxima para todas las frecuencias que caen adentro de los niveles de kilohertz hasta megahertz. Tome por ejemplo las frecuencias correspondientes a las formas de onda de prueba de los supresores previamente mencionadas, que simulan las características de sobrevoltajes transitorios. La frecuencia del Ring Wave de 100kHz es evidente por sí misma. Sin embargo, la repetición de los impulsos de 1.2/50µs, 8/20µs ó 10/ 1000ms correspondería a patrones de frecuencia de 20kHz, 50kHz, y 1kHz. Si un filtro intenta mantener 50kHz como su frecuencia central, como se hace comúnmente, entonces proporcionará niveles de atenuación más bajos para los impulsos de frecuencia de 1kHz y de 100kHz. Los filtros por lo general anuncian una atenuación muy baja para las frecuencias que caen abajo de un punto inicial de 5kHz. Las líneas de potencia y sistemas de distribución de CA tienen la tendencia de atenuar naturalmente los elementos de sobrevoltajes de frecuencias mayores, mientras dejan pasar a los componentes de sobrevoltajes de duración más larga. Un pico de sobrecorriente de 8/ 20µs (50kHz) está compuesto de componentes de alta frecuencia que se reducen a medida que el transitorio viaja sobre el sistema de distribución. Solamente una fracción de la sobrecorriente transitoria original se queda a medida que dicha sobrecorriente se propaga a través del circuito de potencia. A diferencia, la forma de onda más común de 10/1000µs (1kHz) retiene mucha más energía debido al menor efecto que tiene la atenuación de línea sobre la energía transitoria de frecuencia más baja. Un filtro típico se diseña para atenuar los impulsos de 50kHz, cuando es igual de importante o hasta más importante, que proteja contra impulsos de 1kHz. Aunque los filtros no pueden lograr esto, un supresor que utiliza componentes de fijación sí puede. Los sobrevoltajes transitorios pueden tener un alto contenido de energía. Esta energía excesiva puede saturar a los elementos de filtros, así cambiando sus características operacionales y proporcionando niveles dramáticamente reducidos de atenuación sobre la duración entera del sobrevoltaje transitorio. Los productos de supresión deben utilizar componentes de fijación en su diseño para proteger adecuadamente al equipo electrónico contra los sobrevoltajes transitorios. Dichos componentes de fijación se conectan en paralelo con la fuente de potencia de CA y son destinados a desviar los voltajes excesivos lejos de los dispositivos protegidos. No deben cargar al circuito de CA ni distorsionar la onda senoidal de CA a medida que realizan su función deseada. Los elementos de filtro contenidos dentro de cualquier producto de supresión pueden ser contraproducentes ya que pueden introducir algunos de los problemas mencionados, en el circuito de potencia de CA. 9

10 Qué Tan Confiables Son Las Clasificaciones de Alta Capacidad de Supresión de Sobrecorriente? Algunas especificaciones de productos de supresión afirman capacidades muy altas de supresión de sobrecorriente, hasta 300,000 amperios o más. Estas cifras parecen ser muy impresionantes. Sin embargo, una inspección más a fondo revela que ésta práctica no es confiable ni en el mejor de los casos, y con frecuencia sin sentido. La mayoría de los supresores de transitorios utilizan Varistores de Óxido de Metal (MOVs) como sus componentes de supresión. Con frecuencia El MOV individual es evaluado con clasificaciones bastante altas de sobrecorriente pico. Si un supresor utiliza múltiples MOVs, como es el caso con la mayoría de los diseños de supresores compuestos de MOVs, los fabricantes frecuentemente suman las clasificaciones de corriente de todos los componentes individuales para afirmar muy altas e impresionantes capacidades de supresión. Típicamente un MOV de 20mm puede estipular una clasificación de sobrecorriente pico de 6,500 amperios como una de sus características de desempeño. Dicha clasificación será basada en una sola forma de onda de corriente transitoria de corta duración y de cortocircuito, la de 8/20 microsegundos, que frecuentemente se utiliza para simular un impulso de corriente inducido por rayos. La gráfica a continuación, tomada del libro de datos de un fabricante de MOVs, demuestra las tolerancias de desempeño de un MOV de 20mm bajo sobrecorrientes de corta y larga duración de valores variables. Note la probabilidad de que el MOV falle a medida que conduce valores mayores de corriente. Como demuestra la gráfica, este MOV puede resistir mil pulsos de corriente de 500 amperios (8/20 microsegundos). Sin embargo, solo puede tolerar una sola sobrecorriente de 6,500 amperios (8/20 microsegundos). La vida esperada del MOV también disminuye dramáticamente cuando está sometido a formas de onda de sobrecorriente de duración más larga. Adicionalmente se puede notar que dicho MOV no tendrá el mismo desempeño a medida que suprime éstas formas de onda de corriente de duración más larga. Nuevamente en referencia a la gráfica, se puede ver que se espera una falla del MOV después de suprimir solo un impulso de sobrecorriente de 100 a 200 amperios que dura un milisegundo completo. Las sobrecorrientes transitorias de larga duración son inducidas sobre los circuitos de potencia de CA por las actividades de conmutación de red de las centrales eléctricas, por los ciclos de potencia de cargas inductivas y por muchas otras fuentes dentro de los edificios y las instalaciones. Este tipo de actividad transitoria es mucho más común en el mundo real (o sea fuera del laboratorio), como se documenta en el IEEE WM Cualquier supresor, sin importar quien lo fabrique, tendrá que suprimir estas corrientes transitorias de larga duración con más frecuencia que cualquier otro tipo de actividad transitoria. Un supresor de transitorios que utiliza seis MOVs unidos en paralelo el uno al otro puede afirmar una capacidad total de sobrecorriente de más de 30,000 amperios. Esta configuración se demuestra con la gráfica al lado. El fabricante pretende justificar ese valor alto de corriente simplemente con la multiplicación de los valores de clasificación de corriente de los componentes individuales por el número de MOVs utilizados en el supresor. Sin embargo, engaña al usuario del supresor ya que no todos los MOVs conducen la corriente simultáneamente. La coordinación de la activación y conducción de cada componente individual llega a ser imposible debido a factores de fatiga y degradación. En otro ejemplo, un supresor básico puede estar construido con tres (3) componentes de MOVs. Un MOV puede estar entre los conductores Fase y Neutro, otro entre los conductores Fase y Tierra, y un MOV más entre los conductores Neutro y Tierra. Ya que se utilizan tres (3) MOVs, cada uno con una clasificación de corriente 10

11 de 6,500 amperios, el fabricante del supresor puede afirmar una capacidad total de corriente del supresor que se acerca a 20,000 amperios. Sin embargo los tres componentes nunca conducirán la corriente simultáneamente. De hecho, el MOV entre Neutro y Tierra nunca debería activarse. Por consiguiente, esta afirmación de capacidad total de corriente es engañosa en el mejor de los casos, y en el peor de los casos extremadamente falsa. El supresor seleccionado para proteger en un punto específico sobre un sistema de distribución eléctrica debe estar dimensionado apropiadamente para su ubicación física. En otras palabras, se deben utilizar productos que disipan mayor energía en los puntos principales de distribución en comparación con los tableros secundarios o en las tomas eléctricas. El IEEE C es aceptado como una norma de la industria de las formas de onda de prueba para corrientes y voltajes transitorios, para someter a pruebas a los dispositivos de protección contra transitorios en varias ubicaciones físicas a través de un sistema de distribución eléctrica. Esta norma especifica que el equipo de supresión de transitorios utilizado para proteger en ubicaciones de tableros secundarios o tableros principales de exposición baja dentro de una instalación, rara vez necesita ser diseñado para suprimir más de 3,000 amperios de corriente transitoria. En adición, especifica que un supresor de calidad solo tendrá que suprimir de 5,000 a 10,000 amperios de sobrecorriente cuando protege en ubicaciones de exposición mediana y alta. Por consiguiente, no existe la necesidad de productos de supresión de transitorios capaces de suprimir sobrecorrientes más allá de estos niveles. 11

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