de protección contra sobretensiones

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1 mi abr 07 23/5/06 09:10 Página 1 Electricidad La protección contra sobretensiones D. Alsina Ollé Ingeniero Técnico Industrial Ponencia Eléctrica FERCA 1. Introducción En el Reglamento Electrotécnico para baja tensión (Real Decreto 842/2002, de 2 agosto de 2002) se establece, en su Instrucción ITC-BT 23, las protecciones contra sobretensiones en las instalaciones eléctricas interiores o receptoras. La mencionada Instrucción trata exclusivamente de la protección de las instalaciones eléctricas interiores contra las sobretensiones transitorias que se transmiten por las redes de distribución y que se originan, fundamentalmente, como conse- cuencia de las descargas atmosféricas, conmutaciones de redes y defectos en las mismas. No contempla las producidas como consecuencia de la descarga directa del rayo. Sin embargo, y hasta el momento presente, tenemos como un hecho habitual la consideración de no obligatoria la instalación de los adecuados dispositivos de protección contra sobretensiones para el control y vigilancia del riesgo en las instalaciones eléctricas. Con la próxima aparición de las nuevas Normas Técnicas Particulares para las Instalaciones de Enlace en Baja Tensión publica- El artículo trata de las protecciones contra las sobretensiones eléctricas, y se basa en el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión, y en su Instrucción ITC-BT23, que establece las protecciones contra sobretensiones en las instalaciones eléctricas interiores o receptoras, su objeto y campo de aplicación, categorías de las sobretensiones y medidas para su control. Asimismo, se hace mención a la obligatoriedad de la instalación de este tipo de protecciones. El artículo se completa con un apartado descriptivo sobre los principios generales de las sobretensiones, sus formas de propagación, el funcionamiento de los distintos tipos de dispositivos de protección y unos ejemplos básicos de tipos de conexionado. Foto 1. El 95% de las descargas provocan tensiones de más de 5 kv y corrientes de unos 6 ka en protecciones secundarias. Montajes e Instalaciones 79

2 mi abr 07 23/5/06 09:10 Página 2 das por Endesa, entre otras Empresas Distribuidoras, y una vez aprobadas en el ámbito de aplicación respectivo por las distintas Administraciones Autonómicas, se establece con carácter obligatorio en los cuadros de mando y protección, la instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones como mínimo en los casos siguientes: - Contra sobretensiones permanentes: obligatorio en todos los casos. - Contra sobretensiones transitorias: según se especifica en la ITC-BT-23, del REBT. En la ITC-BT23 del REBT se distinguen cuatro categorías diferentes de sobretensiones transitorias en cuanto al nivel de tensión soportada a impulsos, y en kv, según la tensión nominal de la instalación, (Tabla I). Tabla I. Las protecciones contra sobretensiones indicadas en el REBT 2002, contemplan la siguiente clasificación: - Protección contra Sobretensiones Transitorias originadas: Por descargas atmosféricas. Por conmutaciones en la red. Por efectos inductivos o capacitativos de la red. - Protección en redes eléctricas 230/400V CA (1P+N, 3P, 3P+N). - Protección de los equipos eléctricos en instalaciones interiores. En este artículo, y como consecuencia del cumplimiento del Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión, trataremos 2. Principios 2.1. Las sobretensiones de origen atmosférico Cuando se produce una descarga atmosférica sobre cualquier conductor, tanto en las líneas eléctricas como en líneas de datos, se provocan transitorios que se caracterizan por su corta duración, crecimiento rápido y valores de cresta muy elevados (hasta varias centenas de kv) y los aparatos eléctricos están expuestos a recibir una sobretensión. Varias son las entradas que pueden tomar las sobretensiones atmosféricas para introducirse en las viviendas, locales, empresas, etc. y destruir todo lo que esté conectado. Las entradas más habituales son: Sistemas Trifásicos Considerando: Sistemas monofásicos Categoría IV Categoría III Categoría II Categoría I 230/400 V 230 V 6 4 2,5 1,5 40/ , Categoría I. Ordenadores, equipos electrónicos muy sensibles, etc. - Categoría II. Electrodomésticos, herramientas portátiles, etc. - Categoría III. Armarios de distribución, embarrados, aparamenta, canalizaciones, motores con conexión eléctrica fija. de la protección interna de las redes eléctricas contra las sobretensiones transitorias y permanentes, de sus campos de aplicación, de los diferentes equipos existentes en el mercado y de los sistemas de conexionado en las instalaciones eléctricas. Tabla II. - Tendido eléctrico. - Tendido telefónico. - Toma de tierra del edificio. - Desagües de la vivienda (por la toma de tierra). - Cañerías de agua y gas (por la toma de tierra). - Distribución eléctrica de nuestra vivienda, producida por un campo electromagnético. No es necesario que un rayo impacte cerca de nuestra vivienda para producir una sobretensión. En muchas ocasiones, el impacto se origina a kilómetros de distancia y a través del tendido eléctrico llega a introducirse en nuestra vivienda. - Categoría IV. Contadores de energía, equipos principales de protección contra sobreintensidades. Las protecciones contra el rayo en general, y las sobretensiones transitorias y permanentes se dividen según la Tabla II. Protección externa: Protección interna: Pararrayos Tomas de tierra Balizas Para redes eléctricas Para líneas telefónicas Para señales de radiofrecuencia Para señales de medición y control Ni los interruptores diferenciales, ni los interruptores automáticos son capaces de detener una sobretensión, ya que su función no son las sobretensiones. 80

3 mi abr 07 23/5/06 09:10 Página Las sobretensiones en la red eléctrica de baja tensión Cuando se produce un corte de suministro eléctrico, sea accidental o por mantenimiento de la estación transformadora, ésta conmutaría automáticamente a una auxiliar. Al restablecerse la tensión, una vez solucionado el problema, la onda oscilatoria podría llevar una sobretensión. Figura 1. Otro caso bastante habitual es el arranque de motores o generadores en fábricas, que se encuentran en polígonos industriales. Este arranque puede generar una sobretensión que el motor o generador impulsaría por el tendido eléctrico, afectando a los vecinos colindantes. Las sobretensiones producidas por fenómenos atmosféricos llegan hasta las instalaciones receptoras de tres formas (Fig. 3): Figura 2. - El rayo puede caer directamente en las líneas aéreas, propagándose la sobretensión a la largo de varios kilómetros. La sobretensión acaba llegando al usuario y derivándose a tierra a través de sus equipos produciéndoles averías o su total destrucción (Fig. 3 a). - La radiación emitida por el impacto del rayo sobre un objeto (poste, árbol, pararrayos, etc.) próximo a líneas eléctricas o telefónicas, induce corrientes transitorias en éstas, transmitiéndolas al interior de nuestras instalaciones provocando averías o destrucción de los equipos conectados (Fig. 3 b). - Cuando un rayo cae directamente al suelo o a través de una estructura conectada a tierra (puede ser un poste eléctrico, un pararrayos, etc.), la corriente de la descarga del rayo puede elevar el potencial del tierra varios miles de Voltios como consecuencia de la corriente que circula por el terreno (Fig. 3 c). 81

4 mi abr 07 23/5/06 09:10 Página 4 a) Sobretensión conducida c) Aumento del potencial de tierra b) Sobretensión inducida Figura Modos de propagación 3.1. Modo común o asimétrico Perturbaciones entre un conductor activo y el tierra (fase-tierra o neutro-tierra), con riesgo de perforación eléctrica Modo diferencial o simétrico Perturbaciones entre conductores activos, (fase-fase o faseneutro), especialmente peligrosas para los equipos informáticos. Un protector actúa como un interruptor controlado por tensión. Si la tensión es mayor que la nominal de la línea a proteger, el protector pasa a baja impedancia y deriva a tierra. En estado normal, el protector está en alta impedancia y es transparente a la instalación. - El protector ideal El protector ideal, debe derivar toda la intensidad máxima (Imax) generada por la sobretensión y que en sus extremos la tensión residual sea menor que la soportada por el equipo a proteger. Figura 4. 82

5 mi abr 07 23/5/06 09:10 Página 5 Los limitadores de sobretensiones clase I se utilizan cuando existe una probabilidad elevada de descargas atmosféricas extremadamente fuertes. Requieren la coordinación con un limitador clase II para asegurar la protección de los receptores. Figura Funcionamiento de las protecciones El limitador de sobretensiones transitorias es un dispositivo destinado a limitar las sobretensiones transitorias y a derivar las ondas de corriente hacia tierra para limitar la amplitud de estas sobretensiones a un valor no peligroso para la instalación y el aparellaje eléctrico. - Limitadores de sobretensiones transitorias clase I, según norma CEI Onda de ensayo: 10/350 µs (Fig. 8). Protección basta. Figura 6. - Limitadores de sobretensiones transitorias clase II, según norma CEI Onda de ensayo: 8/20 µs (Fig. 9). Protección media y fina. Conseguir alto poder de descarga y bajo valor de tensión residual en un mismo protector es irrealizable. Por ello, la utilización de un único protector no asegura la protección de toda la instalación donde existan equipos eléctricos muy sensibles. Para ello debemos colocar dos o más protectores de forma coordinada. El primer paso (P1) se debe seleccionar para conseguir el mayor poder de descarga (Imax) posible. Una avanzada tecnología basada en varistores de zinc o descargadores de gas se encargará de conmutar, para que esa sobretensión que recibe la red eléctrica se derive hacia tierra. Para permitir el cumplimiento del Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión se utilizan: Figura 7. 83

6 mi abr 07 23/5/06 09:10 Página 6 Figura 8. Onda 10/350. Figura 9. Onda 8/20. Protección de equipos eléctricos y electrónicos contra las sobretensiones transitorias de origen atmosférico y de maniobra. - Valores de Uc según la norma internacional CEI * Esquemas de regímenes de neutro TT TN - S TN - C IT. * Valor U c en modo común 1,5 Uo 1,1 Uo 1,1 Uo 1,7Uo. * Valor Uc en modo diferencial 1,1 Uo 1,1 Uo 1,1 Uo. Donde: - Uo: tensión simple de red entre fase y neutro (230 VCA). - Uc: tensión máxima de régimen permanente (VCA). 5. Características generales de los protectores De acuerdo con lo especificado anteriormente respecto al cumplimiento del REBT, se dispone actualmente de los siguientes tipos de dispositivos protectores o limitadores de sobretensiones: 5.1. Protectores contra sobretensiones transitorias y permanentes monofásicos y trifásicos La protección contra sobretensiones permanentes actúa Fig. 10. sobre el conductor de tierra de la instalación eléctrica generando una intensidad de fuga a través de ese conductor, la cual es detectada por el interruptor diferencial, provocando el disparo de éste Protectores combinados contra sobretensiones transitorias y permanentes con reconexión automática En este tipo de dispositivo, cuando detecta un aumento de la tensión de red (por ejemplo fallos de neutro), actúa sobre el interruptor magnetotérmico rearmable, desconectando los equipos conectados aguas abajo del protector. Cuando la so- bretensión desaparece, el dispositivo rearma el interruptor magnetotérmico habilitando de nuevo el suministro eléctrico. Una vez se reestablecen los valores nominales de tensión, el equipo reconecta de forma automática la instalación. 6. Ejemplo de esquemas de conexión El nivel de sobretensión que puede aparecer en la red es función de: nivel isoceráunico estimado, tipo de acometida aérea o subterránea, proximidad del transformador de MT/BT, etc. La incidencia que la sobretensión puede tener en la segu- 84

7 mi abr 07 23/5/06 09:10 Página 7 Figura 11. Protección trifásica contra sobretensiones transitorias y permanentes. Figura 12. Protección monofásica contra sobretensiones transitorias y permanentes. Figura 13. Protección monofásica combinada contra sobretensiones transitorias y permanentes con reconexión automática. L a Instrucción ITC-BT23 trata exclusivamente de la protección de las instalaciones eléctricas interiores contra las sobretensiones transitorias que se transmiten por las redes de distribución ridad de las personas, instalaciones y equipos, así como su repercusión en la continuidad del servicio es función de: sobretensiones, su instalación y su ubicación. - La existencia de una adecuada red de tierras. el presente artículo, y a considerar cuando la protección contra sobretensiones está prescrita o recomendada en las líneas de alimentación principal 230/400V en corriente alterna; no contemplándose en la misma otros casos como, por ejemplo, la protección de señales de medida, control y telecomunicación. - La coordinación del aislamiento de los equipos. - Las características de los dispositivos de protección contra La Instrucción ITC-BT23 del Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión contiene las indicaciones desarrolladas en 85