Correlación entre ondas de ensayo para dispositivos supresores de sobretensiones

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1 Ingeniería y Ciencia, ISSN Volumen 4, número 7, junio de 0, páginas Correlación enre ondas de ensayo para disposiivos supresores de sobreensiones Correlaion facor beween sandard surge waves for esing ransien overvolage suppressor devices Julio Guillermo Zola 1 Recepción: 23-ene-0/Modificación: o4-jun-0/acepación: 05-jun-0 Se acepan comenarios y/o discusiones al arículo Resumen Exise un variado número de ondas impulsivas esándar que se uilizan para ensayar el funcionamieno de los disposiivos supresores de sobreensiones ransiorias. En paricular, resulan de imporancia los ensayos que comprueban la corriene máxima de impulso de descarga. Se analiza en ese rabajo la relación exisene enre esas disinas formas de ondas impulsivas, de forma al de poder obener una correlación enre ellas para aplicar una u ora con similares resulados. Las conclusiones que se alcanzan a parir de un desarrollo eórico simplificado son corroboradas mediane medición en laboraorio y simulación. Palabras claves: corriene impulsiva, sobreensión ransioria, disposiivo supresor. 1 Absrac A wide number of sandard surge waves curren for esing he behavior of ransien overvolage suppressor devices are currenly being used. The value of pick surge curren is one of he mos imporan ess. The raio beween he surge waves o obain a correlaion facor beween hem, so hey can be Ingeniero Elecrónico, jzola@fi.uba.ar, profesor adjuno, Coordinador Grupo de Invesigación del Laboraorio de Circuios Elecrónicos, Deparameno de Elecrónica, Faculad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires Argenina Universidad EAFIT 113

2 Correlación enre ondas de ensayo para disposiivos supresores de sobreensiones applied o ge equivalen resuls is analyzed in his paper. The heoreical conclusions are verified by simulaion and laboraory measuremens. Key words: impulse curren, ransien overvolage, surge arreser. 1 Inroducción De acuerdo a los esándares uilizados para ensayar los disposiivos proecores de sobreensiones ransiorias (DPS), se uilizan disinas ondas impulsivas de ensayo, de forma de caracerizar una onda impulsiva de corriene (de nauraleza amosférica, induciva, ecéera). Por ejemplo, algunas formas adopadas son las de impulso de corriene µs [1], µs, 10 µs [2], ecéera, caracerizadas por la corriene máxima I m [A], la energía específica E i [Joule/ohm] y la carga Q[Coulomb]. En odos los casos, aplicando esas ondas impulsivas al DPS, lo que se preende obener como resulado es: El iempo de respuesa del DPS al impulso de corriene cuyo iempo de crecimieno 1 es de µs ó 10 µs, según el ipo de onda impulsiva uilizada, figura 1. I 100% 90% Im 50% Im/2 10% Figura 1: forma ípica de una onda impulsiva de ensayo 114 Ingeniería y Ciencia, ISSN

3 Julio Guillermo Zola La energía que es capaz de absorber el DPS sin desruirse de acuerdo con la duración del impulso, caracerizado por el iempo 2 en que la onda decrece hasa alcanzar la miad de su valor máximo I m, ( µs, 350 µs, µs, según corresponda), figura 1. Por ejemplo, la Norma IEC [3], uiliza para caracerizar la forma de onda impulsiva, una ecuación como la indicada en (1) I = I m h ( τ 1 ) ( τ 1 ) 10 e τ 2. (1) Donde τ 1 y τ 2 son consanes de iempo asociadas al crecimieno y decaimieno de la onda, respecivamene; y la consane h es un facor abulado de corrección de la corriene máxima I m. Si bien las ondas de ensayo enumeradas ienen similares caracerísicas en cuano a su forma, exisen sin embargo, diferencias para implemenar un generador que enrega una onda de la forma µs, respeco de oro que enregue una onda de la forma µs ó µs. En la figura 2 se muesra el esquema circuial muy simplificado de un generador de impulsos de corriene (GIC). GIC L~µH R~Ω Vc DPS Figura 2: esquema simplificado de un GIC Por ejemplo, para implemenar un GIC que pueda enregar una corriene µs, con una I m = 10 ka (valor ípico de corriene impulsiva que puede soporar un DPS para líneas de suminisros de baja ensión), deberá generarse una ensión en vacío V c de varias decenas de kv. Por oro lado, para generar Volumen 4, número 7 115

4 Correlación enre ondas de ensayo para disposiivos supresores de sobreensiones una onda 10 µs que enregue una energía similar al DPS, se necesiaría una V c de algunos kv. Eso resula de imporancia por el hecho de la forma de diseño, consrucción, funcionamieno y coso del equipo generador. Esas formas de onda, consensuadas por disinos comiés que elaboran los esándares (IEC, UNE, NFPA, IEEE, BS, IRAM, ecéera) fueron obenidas en base a diferenes análisis de disribuciones probabilísicas a parir de la medición de impulsos de sobreensión bajo condiciones reales, es decir: medición de formas de descargas amosféricas, de impulsos ransiorios por arranque de moores, ecéera. Es por ello que, según la norma que se uilice para el ensayo de los DPS, los resulados de esos ensayos quedarían limiados al ipo de onda impulsiva uilizada. Una correlación enre esas formas de onda, permiiría comparar el desempeño de diferenes DPS evaluados bajo las recomendaciones de disinas normas y al mismo iempo, ensayar su desempeño mediane cualquiera de ellas sin necesidad de ener que uilizar equipamieno de alo coso, como sería el caso de un generador µs. Sin embargo, las esimaciones de correlación, la mayoría de las veces enre la onda 10 µs y la 350 µs, se muesran sólo como daos exra en caálogos comerciales de algunos DPS y esán basadas en la igualdad de carga o de energía específica de esas formas de onda, sin ener en cuena en ningún caso para la comparación, al DPS como pare involucrada del proceso impulso de corriene absorción de energía. Por ejemplo, para las formas de onda indicadas, la igualdad de carga (es decir, la inegral en el iempo de las formas de onda de corriene), resula en una relación de 29 a 1 enre las corrienes máximas del impulso µs y el µs. Por oro lado, la igualdad de energía específica (es decir, la inegral en el iempo de las formas de onda de corriene al cuadrado), resula en una relación de 21 a 1 enre las corrienes máximas del impulso 10 µs y la 350 µs. En ese segundo caso, puede noarse que la igualdad de energías específicas correspondería a igualar las energías de los impulsos de corriene sobre una carga resisiva, de valor consane con la ensión y corriene aplicadas, lo cual no es el caso de un DPS, cuya relación corriene ensión no es lineal. Es más, según cuál de los dos crierios de igualdad se ome (igualdad de Q o de E i ), un mismo DPS cuya corriene máxima esá especificada para una onda µs (ó µs) alcanzaría o no un desempeño equivalene a 116 Ingeniería y Ciencia, ISSN

5 Julio Guillermo Zola oro DPS cuya corriene máxima esá especificada para una onda µs, en cuano a soporar una corriene máxima deerminada. En la acualidad, esa correlación sigue siendo ema de discusión a nivel normaivo. En ese rabajo se inena llegar a enconrar una correlación basada en la igualdad de energía sobre un DPS bajo ensayo. Ya que al medir la máxima corriene impulsiva que sopora un DPS, se busca obener el valor de la máxima energía que puede absorber sin desruirse, se hará inicialmene un análisis simplificado para evaluar la energía absorbida por el disposiivo ane un pulso de corriene de duración variable. 2 Análisis de la energía absorbida por el DPS Tal como se indicó aneriormene, la energía que es capaz de absorber un DPS sin desruirse, esá caracerizada por el iempo 2 en que la onda impulsiva aplicada decrece hasa alcanzar la miad de su valor máximo. Teniendo en cuena que las diferenes formas de onda, asociadas a ecuaciones como (1), son el resulado de análisis de modelos probabilísicos, el desarrollo de expresiones maemáicas que las involucren sólo mosrarán desarrollos complejos que pueden llegar a enmascarar conclusiones simples a las que se puede llegar analizando formas maemáicas más sencillas, caracerizadas ambién por el iempo 2, que es el parámero donde se debe cenrar la aención. Es decir, eligiendo una forma simple como un impulso recangular, no sólo se simplificará cualiaivamene el análisis, sino que mosrará, comparando con los resulados obenidos en un análisis compleo uilizando la simulación mediane compuadora, que los resulados alcanzados son similares y dependerán siempre del iempo 2 con que se caraceriza la duración de la onda impulsiva. Si se aplican sobre un DPS de caracerísica I V conocida, figura 3, un pulso de corriene I = I 1 de µs de duración, alcanzará un valor de sobreensión V = V 1 dada por su curva caracerísica. La energía E() enregada al DPS por el impulso de corriene se obendrá mediane (2), E() = + µs V 1 Id = V 1 I 1 µs. (2) Volumen 4, número 7 117

6 Correlación enre ondas de ensayo para disposiivos supresores de sobreensiones Por oro lado, si se aplican sobre el mismo DPS un pulso de corriene I = I 2 de 1 ms ( µs) de duración, de acuerdo a su caracerísica I V, el DPS alcanzará un valor de sobreensión V = V 2, menor a V 1. La energía E() enregada al DPS se obendrá mediane (3), E() = +1 ms V 2 Id = V 2 I 2 µs. (3) Si la energía enregada al DPS es la misma en ambos casos, o sea (2) = (3), V 1 I 1 = 50V 2 I 2. (4) Admiiendo que I 1 es el máximo impulso de corriene de µs de duración que puede soporar el DPS, el valor alcanzado de V 1 será en general aproximadamene res veces la ensión máxima de funcionamieno para el cual se uiliza dicho DPS, figura 3. I1 I2 us V 1ms V1 V2 VF log I I2 I1 E E E l.v. 0 Figura 3: energía absorbida por un DPS de caracerísica I V conocida ane pulsos de corriene V 1 = 3Vf. (5) 11 Ingeniería y Ciencia, ISSN

7 Julio Guillermo Zola La relación (5) es ípica en varisores de óxido de zinc, al como se observa en la figura 4. Cabe aclarar que el hecho de que la ensión en el DPS, para el impulso de corriene máxima que puede soporar, llegue a superar en res veces la de funcionamieno (ocurre algo similar en los descargadores gaseosos, donde se caraceriza una sobreensión impulsiva varias veces superior a la ensión limiadora especificada para corriene coninua), es la causa de que la proección de equipos elecrónicos muy sensibles deba realizarse en dos eapas de DPS: una con varisores o descargadores gaseosos que absorban la mayor pare de la energía del impulso de corriene (proección gruesa), y ora (acoplada mediane resisores o inducores) con diodos zener, que absorban la pequeña porción resane de energía (proección fina), maneniendo la ensión de enrada del equipo a proeger lo más cercana a la de su funcionamieno normal. Volviendo al análisis del DPS de la figura (3), puede observarse que, para lograr enregar igual energía, si bien I 2 < I 1, I 2 será suficienemene grande como para obener una V 2 superior a V f, pero inferior a V 1, V f < V 2 < V 1. (6) Reemplazando (5) en (4) y eniendo en cuena (6), se obiene (7), I 2 = ki (7) Donde k = V 1 V 2 y de acuerdo a lo dicho, 1 < k < 3. Es decir, resula (), I 1 50 < I 2 < I () O sea que, I 2 = I ( µs) será enre 15 y 50 veces inferior a I 1 = I ( µs) para enregar la misma energía al DPS bajo esudio. Haciendo igual análisis para un pulso de corriene I = I 3 de 350 µs de duración, se alcanzan los valores resumidos en la abla 1. Volumen 4, número 7 119

8 Correlación enre ondas de ensayo para disposiivos supresores de sobreensiones Tabla 1: relación enre pulsos de corriene para igual energía absorbida por el DPS Pulso Relación aproximada con el pulso de µs µs e I = I 2 I 2 = ki µs e I = I 3 I 3 = ki 1 17 I 1 50 < I 2 < I1 15 I 1 17 < I 2 < I1 6 Por ejemplo, observando en la figura 4 las caracerísica I V ípicas de varisores de óxido de zinc [4] para disinas ensiones de funcionamieno V f, se endrá que, para un rango de valores de I ( µs) ó I (350 µs) como los indicados en la abla 1, se cumple aproximadamene la relación V 1 = 1,5V2. Por lo ano I ( µs) = 30I( µs) = 10I(350 µs). (9) 3000 V (V) I (A) Figura 4: caracerísicas I V de varisores de óxido de zinc Esas relaciones, obenidas en forma simple, pueden verificarse aproximadamene en las caracerísicas I = f( ) de los varisores para disino número de impulsos de la figura 5. A similar resulado se llega analizando el 1 Ingeniería y Ciencia, ISSN

9 Julio Guillermo Zola comporamieno de diodos zener, si bien su capacidad de absorción de energía es mucho menor a las del varisor y es uilizado casi exclusivamene en configuraciones de DPS de dos eapas como una segunda eapa o proección fina, al como se aclaró aneriormene. 0 Inrp (A) p(µs) 10 4 Figura 5: caracerísicas I = f( ) para disino número de impulsos en varisores de óxido de zinc 3 Simulación mediane PSpice Uilizando el programa PSpice [5], se obuvo, en primera insancia, la respuesa a la aplicación de un impulso de corriene, de un DPS formado por varisores de óxido de zinc para funcionamieno en 2 V(ca), con una capacidad de corriene de descarga I m ( µs) = ka. Para ello se uilizaron modelos para simulación de varisores, adecuándolos a los daos de los parámeros del DPS [6, 7]. Se aplicaron disinos impulsos, variando el valor máximo de corriene de ondas µs y µs hasa obener una energía ( absorbida por el DPS aproximadamene igual que en el caso de aplicar I m µs) = ka [, 9, 10]. Volumen 4, número 7 121

10 Correlación enre ondas de ensayo para disposiivos supresores de sobreensiones E (Joules) / / / Time (ms) Figura 6: simulación de la energía absorbida por el DPS para disinas ondas impulsivas de corriene El resulado final, mosrado en la figura 6, se obuvo para la relación de corrienes (10) I ( ) = 2I ( ) = 11I ( ). (10) Mediane el simulador PSpice se obiene la energía resolviendo las ecuaciones compleas, alcanzándose un resulado (10) similar al obenido en (9), donde se realizó un análisis simple con pulsos recangulares. Por eso, queda demosrado el hecho de que el parámero 2 (y obviamene la I m correspondiene) es el que deermina la capacidad de absorción de energía del DPS, por sobre la forma exaca de la onda impulsiva. Poseriormene se realizó la misma simulación, uilizando en ese caso el modelo de un DPS conformado por un varisor de óxido de zinc para ( funcionamieno en 35 V(ca), con una capacidad de corriene de descarga I m µs) = 2 ka. El resulado final, con curvas de energía de igual forma que las mosradas en la figura 6, se obuvo para una relación de corrienes similar a la obenida en (10). 122 Ingeniería y Ciencia, ISSN

11 Julio Guillermo Zola 4 Medición mediane generador de impulsos de corriene Se realizaron varias mediciones, con el fin de verificar las expresiones de la abla 1 y en paricular, la relación aproximada (9). Se aplicó un impulso de corriene 10 µs sobre disinas muesras de DPS: Grupo de DPS1: formado por varisores de óxido de zinc ( para funcionamieno en 2 V(ca) con capacidad de descarga I m µs) = ka. Grupo de DPS2: formado por un descargador gaseoso (ubo de descarga gaseosa) de 90 V con capacidad de descarga de un impulso de I m ( µs) = 10 ka. Se uilizó un generador de impulso de corriene, GIC00, que se muesra en la figura 7, el cual enrega una corriene en corocircuio Is ( 10 ( ) µs) de 1 ka y una ensión a circuio abiero Vo 1, µs de 2 kv. Figura 7: GIC00 Mediane un osciloscopio digial se llevó regisro de la ensión enre erminales y la corriene circulane a ravés del DPS a cada impulso de corriene aplicado, figura. Se aplicaron a cada DPS un oal de diez impulsos de corriene con un iempo de un minuo enre impulsos sucesivos. Volumen 4, número 7 123

12 Correlación enre ondas de ensayo para disposiivos supresores de sobreensiones Vo(1,5/3000) = 2 KV GIC00 Is(10/) = 1 KA L I C KV R1 R2 DPS 10x 9KΩ/1W 10x Res ~- 0,1Ω /10W 1KΩ/1W Figura : Esquema de medición de los DPS Previamene, y poseriormene a la aplicación del grupo de impulsos, se observó el comporamieno de cada DPS en condiciones de ensión de funcionamieno, V f, midiéndose la corriene de fuga para verificar si se había modificado su esado una vez realizado el ensayo. En la abla 2 se indican los ensayos realizados sobre las muesras de DPS del ipo DPS1 y DPS2, que verifican aproximadamene la relación (9). Se agregaron a los ensayos aneriores las siguienes muesras: Grupo de DPS3: formado por un varisor de óxido de zinc en encapsulado de disco de 10 mm, ( para funcionamieno en 2 V(ca) y de capacidad de descarga I m µs) = 2,5 ka, con el fin de analizar un caso en que se verifique la relación (9) a parir de no cumplirla, es decir, de la desrucción del disposiivo. Grupo de DPS4: formado por un varisor de óxido de zinc para funcionamieno en 35 V(ca) y con una I m ( µs) = 2 ka. Grupo de DPS5: formado por dos varisores de óxido de zinc de mm, para funcionamieno en 14 V(ca) y con una I m ( µs) = 4 ka. Los resulados de la medición, que ambién se indican en la abla 2, verifican la relación aproximada obenida en (9). Es decir, los resulados obenidos, ano eóricamene como a parir de los modelos maemáicos para simulación, resulan acepables en cuano a la relación de corrienes y de acuerdo con esos resulados, sería facible considerar como relaciones válidas las dadas en (9) para uso prácico. 124 Ingeniería y Ciencia, ISSN

13 Julio Guillermo Zola DPS I m medida Tabla 2: resulados de las mediciones N de I ( ) impulsos I ( 100) A A 10 Resulado sin Conclusión DPS1 puede soporar I modificaciones I ( ) > ( ) 30 sin 3 0 A 1 12 desrucción A A 10 DPS2 puede soporar I modificaciones I ( ) > ( ) sin DPS3 no sopora I I ( ) > ( ) 12 DPS4 puede soporar I modificaciones I ( ) > ( ) sin DPS5 puede soporar I modificaciones I ( ) > ( ) Como un ensayo final auxiliar de verificación, se modificaron los resisores R1 y R2 del GIC00, indicados en la figura de modo al de acercar su funcionamieno a un generador cuya corriene de corocircuio sea del ipo 10 Aplicando sobre el DPS5 diez impulsos con I m = 500A, es decir 350 µs. I ( ) I ( ) =, no se obuvo modificación alguna sobre el valor de la corriene de fuga del DPS una vez erminado el ensayo. Cabe aclarar que esas modificaciones en R1 y R2, no se aplicaron para ensayar los DPS de mayor ensión de funcionamieno y mayor capacidad de corriene, dado que para generar una onda para esos disposiivos se necesiarían ensiones en vacío del generador, superior a los 2 kv máximos que enrega ese equipo, al como se expuso en la inroducción de ese rabajo. Volumen 4, número 7 125

14 Correlación enre ondas de ensayo para disposiivos supresores de sobreensiones 5 Conclusiones Puede obenerse una correlación aproximada enre las disinas formas de impulso de corriene de ensayo aplicadas sobre un DPS para evaluar su capacidad de proección conra sobreensiones ransiorias, a parir de igualar la energía absorbida por el disposiivo ane la aplicación de cada forma de impulso de corriene. Teniendo en cuena esa premisa, se verifica eóricamene, por simulación y medición como esimación conservaiva, la relación obenida en la expresión (9): una relación de 30 a 1 enre las corrienes máximas de las formas de onda y 10 y como consecuencia inmediaa de esa forma de análisis, una relación 10 a 1 enre las corrienes máximas de las formas de onda y (corroborada mediane el ensayo auxiliar realizado en el íem 4), figura I(/)/I Teorico Experimenal Teorico Experimenal 0 10/350 10/ Figura 9: relación enre las I m de ondas de ensayo respeco de la I m ( ) : valor eórico conservaivo y valor obenido experimenalmene sin regisrar cambios en el comporamieno del DPS Es decir, la relación enre las disinas formas de impulso de corriene no pueden obenerse sin considerar el disposiivo sobre el cual se la esá aplicando, el que presenará una impedancia diferene de acuerdo al nivel de corriene aplicado. La conclusión de una esimación conservaiva queda puesa en evidencia en los casos 2, 4 y 5, donde los DPS soporaron diez impulsos consecuivos de onda 10 con una corriene máxima veces menor a la indicada para un único impulso, habiéndose esimado previamene una relación de 30 a 1, e 126 Ingeniería y Ciencia, ISSN

15 Julio Guillermo Zola incluso para la prueba auxiliar sobre el DPS5, que soporó diez impulsos de onda con una corriene ocho veces menor a la indicada para un impulso, habiéndose esimado previamene una relación 10 a 1. Las conclusiones alcanzadas, pueden servir como referencia para fuuras discusiones a nivel normaivo, en cuano a la definición de los parámeros a ener en cuena en los generadores de ondas impulsivas a uilizar para ensayar el comporamieno de los DPS. Mas aún, podrían ser ampliadas, realizando ensayos uilizando generadores de diferenes ipos de ondas impulsivas con disinos niveles de corriene máxima y de esa forma llegar a resulados generales concensuados, que permian uilizar una u ora forma de onda de ensayo en forma indisina, de acuerdo con las necesidades. Referencias [1] IEC Low Volage Surge Proecive Devices, 02. Referenciado en 114 [2] IEEE Sd Recommended Pracice on Characerizaion of Surge in Low- Volage ( V and less) AC Power Circuis, 02. Referenciado en 114 [3] IEC Proecion agains he lighning elecromagneic impulse (LEMP), Referenciado en 115 [4] Lielfuse. hp:// 05. Referenciado en 1 [5] Cadence Design Sysems. hp:// 07. Referenciado en 121 [6] Julio G. Zola. Simple model of meal oxide varisor for Pspice Simulaion. IEEE Transacions on Compuer Aided Design of Inegraed Circuis and Sysems, ISSN (10), (Ocober 04). Referenciado en 121 [7] Eduardo Mariani, Claudia Piaggio and Julio Zola. Modelling he TT low volage disribuion sysem in rural zones of Argenina under he effec of lighning. IX Inernaional Symposium on Lighning Proecion, Foz do Iguazu, (November 07). Referenciado en 121 [] Ronald B. Sandler. Equaions for some ransien overvolage es waveforms. IEEE Transacions on Elecromagneic Compaibiliy, ISSN , 30(1), (February 19). Referenciado en 121 Volumen 4, número 7 127

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