Limitadores de sobretensiones transitorias

Transcripción

1 Limitadores de sobretensiones transitorias

2 Origen de las sobretensiones Modos de propagación Consecuencias Limitadores de sobretensiones. Tecnología Qué limitador instalar? Cómo instalar los limitadores? Continuidad de servicio Gama de limitadores de sobretensiones

3 Sobretensiones de origen atmosférico Formación de tormentas Desarrollo de una nube tormentosa el fenómeno se desencadena al elevarse aire caliente desde el suelo. La masa de aire se carga de humedad produciendo una nube tormentosa.

4 Sobretensiones de origen atmosférico Formación de tormentas Desarrollo de una nube tormentosa Fenómeno de electrificación la violencia de las corrientes de aire ascendentes y descendentes separan las gotas de agua que se transforman en cristal de hielo colisionando entre ellas, creando cargas eléctricas positivas y negativas

5 Sobretensiones de origen atmosférico Formación de tormentas Desarrollo de una nube tormentosa Fenómeno de electrificación Fenómeno de la fase activa las cargas de signo contrario se separan, las positivas se sitúan en la parte superior de la nube mientras que las negativas lo hacen en la inferior. Las primeras chispas entre nubes comienzan a aparecer.

6 Sobretensiones de origen atmosférico Formación de tormentas Desarrollo de una nube tormentosa Fenómeno de electrificación Fenómeno de la fase activa Maduración de la fase activa la nube forma un enorme condensador con el suelo y comienzan a producirse lluvias y relámpagos entre nube y suelo en la primera media hora desde que aparecieron las primeras chispas.

7 Sobretensiones de origen atmosférico Formación de tormentas Desarrollo de una nube tormentosa Fenómeno de electrificación Fenómeno de la fase activa Maduración de la fase activa Fin de la fase activa la actividad en la nube disminuye mientras que los rayos hacia el suelo aumentan, apareciendo fuerte precipitaciones, granizo y fuertes ráfagas de viento.

8 Sobretensiones de origen atmosférico Clasificación de los rayos Rayo negativo descendente es el más frecuente en terreno llano siendo un 90% de los existentes en climas templados.

9 Sobretensiones de origen atmosférico Clasificación de los rayos Rayo negativo descendente Rayo positivo ascendente es el más peligroso y aparece en presencia de una prominencia importante o montaña

10 Sobretensiones de origen atmosférico Clasificación de los rayos Rayo negativo descendente Rayo positivo ascendente Rayo negativo ascendente es frecuente en terreno llano

11 Sobretensiones de origen atmosférico Clasificación de los rayos Rayo negativo descendente Rayo positivo ascendente Rayo negativo ascendente Rayo positivo descendente es peligroso y aparece en presencia de una prominencia importante o montaña

12 Sobretensiones de origen atmosférico Principio de una descarga el rayo comienza por un trazo que se desarrolla a partir de una nube y progresa bandeando sucesivamente de 30 a 50 m del suelo, el trazo está compuesto por partículas eléctricas, arrancadas de la nube por el campo eléctrico, creado entre éste y el suelo.

13 Sobretensiones de origen atmosférico Principio de una descarga el se rayo crea comienza un canal por un ionizado trazo que se va desarrolla ramificando, a partir llegando de una a 300 nube m del y progresa suelo. bandeando sucesivamente de 30 a 50 m del suelo, el trazo está compuesto por partículas eléctricas, arrancadas de la nube por el campo eléctrico, creado entre éste y el suelo.

14 Sobretensiones de origen atmosférico Principio de una descarga el se aparece rayo crea comienza un canal este por un ionizado momento trazo que un arco se va desarrolla ramificando, eléctrico muy a partir llegando de una a luminoso 300 nube m del y que progresa suelo. provoca bandeando el trueno y permite el sucesivamente intercambio de carga de 30 a 50 del m condensador del suelo, el nubesuelo. compuesto por trazo está partículas eléctricas, arrancadas de la nube por el campo eléctrico, creado entre éste y el suelo.

15 Sobretensiones de origen atmosférico Principio de una descarga se aparece el rayo crea comienza principal un canal este parte por un ionizado momento desde trazo el suelo que un arco se hasta va la desarrolla ramificando, eléctrico nube con muy una a partir llegando de una a luminoso velocidad 300 nube m del y que de progresa suelo. provoca bandeando el propagación trueno y permite cercana el a sucesivamente intercambio 1/3 de la de la de luz. carga de 30 a 50 del Este m condensador arco del suelo, retorno el nubesuelo. se caracteriza compuesto por por ser trazo está partículas un impulso eléctricas, de arrancadas duración total de cercana la nube por a los el 100 campo µs y eléctrico, un frente creciente creado entre de 1 éste a 15 y µs. el suelo.

16 Sobretensiones de origen atmosférico Principio de una descarga se aparece el una rayo crea sucesión comienza principal un canal este de parte arcos por un ionizado momento desde aparecen, trazo el suelo que un llamados arco se hasta va la desarrolla ramificando, eléctrico nube arcos con subsiguientes muy una a partir llegando de una a luminoso velocidad de 300 menos nube m del y que de en progresa suelo. menos provoca bandeando el propagación intensidad, trueno y permite entre cercana los el a sucesivamente intercambio 1/3 cuales de la subsiste de la de luz. carga de un 30 a 50 del Este trazo m condensador arco del continuo suelo, retorno el nubesuelo. se haciendo caracteriza compuesto circular por por una ser trazo está partículas un corriente impulso del eléctricas, de orden de arrancadas duración 200 A. Sin total embargo, de cercana la nube por a estos los el 100 arcos campo µs poseen y eléctrico, un frente creciente creado una variación entre de 1 éste de a 15 y µs. el suelo. intensidad muy fuerte (di/dt).

17 Sobretensiones de origen atmosférico Datos significativos Del 28 de enero de enero de 1995: rayos rayos por año de media : rayos negativos : rayos positivos Intensidad media de rayos negativos: 33 ka Intensidad media de rayos positivos: 71 ka intensidad media por zonas geográficas: Marítima Litoral Mesetania Montañosa negativo 31 ka positivo ka 47 ka 23 ka 54 ka 57 ka Rayos positivos los más peligrosos

18 Sobretensiones de origen atmosférico TIPO DE SOBRETENSIONES (algunos MHz µs) U P1 P2 Sobretensiones inducidas Un rayo indirecto sobre cualquier lugar(poste,árbol,etc.),es equivalente a una antena de gran longitud que emite un campo electromagnético. Se propaga desde unos centenares de metros hasta algunos kilómetros.

19 Sobretensiones de origen atmosférico TIPO DE SOBRETENSIONES (algunos MHz µs) U P1 Sobretensiones conducidas Debidas a la caída del rayo sobre una línea aérea (eléctrica o telefónica). Estos impulsos de corriente generada se propagan hasta el edificio derivándose a tierra a través de los receptores produciéndoles averías.

20 Sobretensiones de origen atmosférico TIPO DE SOBRETENSIONES (algunos MHz µs) P1 BT N P1 Cuando el rayo cae a tierra o a una estructura conectada a tierra(pararrayos) se crea una perturbación electromagnética y una subida del potencial de tierra. Sobretensiones debidas al aumento del potencial de tierra

21 Sobretensiones por maniobras en la red Causadas por conmutaciones y bruscas variaciones de carga originando ondas de alta frecuencia (100 khz a 1 MHz ms) - Conmutación de corrientes inductivas Causa: cuando se establecen o interrumpen circuitos inductivos Consecuencia: se producen impulsos de gran amplitud y tiempo de subida corto Ejemplos: Interruptor de mando de un motor eléctrico, un transformador BT/BT, un contactor o un simple relé. - Conmutación de corrientes capacitativos Causa: maniobras en redes eléctricas con elementos capacitativos Consecuencia: sobretensiones de origen oscilatorio Ejemplos: Interruptor de mando de un motor eléctrico, un transformador BT/BT, un contactor o un simple relé. - Interrupción de una gran corriente con un órgano de corte

22 Otras sobretensiones importantes - SOBRETENSION POR DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS (ESD) Causa: cuando una persona se carga electrostáticamente (puede alcanzar varias decenas de kv), por frotamiento y se descarga Consecuencia: su descarga produce un impulso de corriente que puede provocar perforaciones en componentes - SOBRETENSIÓN ELECTROMAGNÉTICA NUCLEAR (NEMP) Sobretensiones muy poco probables

24 Modos de propagación Sobretensión en modo común: aparece entre las partes activas y la tierra: fase/tierra o neutro/tierra. L N U MC Peligrosas para aparatos donde la masa está conectada a la tierra en razón de riesgos de ruptura de rigidez dieléctrica de los materiales. Mal funcionamiento de los aparatos

25 Modos de propagación Sobretensión en modo diferencial: sobretensión aparece entre dos conductores activos: fase/fase o fase/neutro L I ida N U MD I vuelta Posible destrucción de materiales Sobreintensidades

27 Consecuencias de las sobretensiones atmosféricas Acoplamiento del campo al cable. Tensiones inducidas Campo electromagnético creado por el rayo se acopla a todos los cables que encuentra Generación de sobretensiones de modo común o diferencial que se propagan por conducción Acoplamiento del cable-cable Acoplamiento inductivo Acoplamiento capacitativo Inducción en los bucles de masas Subida del potencial de tierra

28 Consecuencias de las sobretensiones DETERIORO Y DESTRUCCIÓN de los componentes Depende de: - Tiempo de ascenso(tm): rapidez con la que crece la onda. - amplitud: valor máximo que alcanza la perturbación - Tiempo de descenso (Td): nos da idea de la duración del pulso MAL FUNCIONAMIENTO de los equipos ENVEJECIMIENTO prematuro de los componentes - Provocado por sucesivas sobretensiones no destructivas

30 Dispositivos de protección contra sobretensiones - Protecciones primarias: Captan los rayos, los derivan a tierra y los dispersan en el suelo. pararrayos (cables de guarda de líneas aéreas de AT, puntas Franklin) terminales aéreos, estructuras metálicas, caja mallada de Faraday, etc.. - Protecciones secundarias: Se encargan de los efectos indirectos del rayo y de las sobretensiones de maniobra. protección serie: filtros y transformadores protección paralela: Limitadores de sobretensión

31 F N Limitadores de sobretensión U aguas arriba Principio de funcionamiento U cebado sobretensión U residual U aguas abajo receptores Ω R elevada R baja Resistencia del limitador V V Tensión de línea Ucebado t 1. La tensión aguas arriba Ua es menor que la tensión de cebado (Uc) del limitador de sobretensiones. La resistencia del limitador es muy elevada (aprox. 1 MΩ).

32 F N Limitadores de sobretensión U aguas arriba Principio de funcionamiento U cebado sobretensión U residual U aguas abajo receptores Ω R elevada R baja Resistencia del limitador V V Tensión de línea Ucebado t Al La aparecer tensión aguas una arriba Ua sobretensión es menor que atmosférica, la la tensión de Ua cebado aumenta (Uc( Uc) y del se hace limitador superior de a la de sobretensiones. cebado. La resistencia La se resistencia vuelve muy del débil limitador y la es intensidad muy elevada circula (aprox. por el 1 MΩ). limitador.

33 F N Limitadores de sobretensión U aguas arriba Principio de funcionamiento U cebado sobretensión U residual U aguas abajo receptores Ω R elevada R baja Resistencia del limitador V V Tensión de línea Ucebado t Al La aparecer tensión aguas disminuye una arriba y Ua sobretensión se vuelve es menor inferior que atmosférica, la a la de la cebado, tensión de que Ua cebado se aumenta convierte (Uc) y del se en hace tensión limitador superior residual de a la (Up). de sobretensiones. cebado. Ésta es la La tensión resistencia La a la que se resistencia vuelve está sometido muy del débil el limitador receptor. y la es intensidad muy elevada circula (aprox. por el 1 MΩ). limitador.

34 Limitador de sobretensiones Tiempo de respuesta (Tr) V tensión (V) Tr V : sobretensión dada a régimen dinámico V/ t : velocidad de subida de la tensión de perturbación Tr: tiempo de respuesta de la protección V = V/ t * Tr tiempo (t) tiempo que tarda una protección en reaccionar en el momento que aparece una sobretensión. tiempo de respuesta débil: limitación a sobretensiones débiles. tiempo de respuesta largo: ineficiente si los componentes a proteger son muy sensibles o tiene un tiempo de reacción a sobretensiones corto.

35 Tecnología de los limitadores Tecnología: Varistor (óxido de zinc) Característica principal: - Resistencia infinita en condiciones normales de tensión - Resistencia 0 al producirse un sobretensión F N V Ω R alta U

36 Tecnología de los limitadores Tecnología: característica del Varistor Up (V) I II III IV In Up: nivel de protección In: Intensidad nominal Imáx: intensidad máxima Imáx ka - Región I: resistencia elevada y funcionamiento normal del varistor - Región II: el varistor se sitúa en esta zona en caso de sobretensiones temporales moderadas. Región III: zona de sobretensiones de maniobra o atmosféricas moderadas. Región IV: zona de saturación. Zona de sobretensiones de rayo.

37 Tecnología de los limitadores Tecnología: funcionamiento del varistor U (V) Sobretensión Varistor - Tiempo de reacción muy rápido (10-9 s) - varistor limita la sobretensión a una tensión residual que será función del varistor Tiempo (µs) - Cuidado!: si el varistor recibe una sobretensión > a lo que puede aguantar: - primero funciona bien - a continuación se produce el cortocircuito interno al varistor

38 Tecnología de los limitadores Tecnología: Descargador de gas Sobretensión Ionización del gas Derivación a tierra F N u Efluvio Cebado DG Arco Extinción i

39 Tecnología de los limitadores Tecnología: Descargador de gas U (V) Respuesta a un impulso: Sobretensión Cebado Extinción Tiempo (µs) Efluvio Arco

40 Tecnología de los limitadores Comparativa Varistor Descargador de gas VENTAJAS Tensión residual pequeña Fuerte poder de disipación de energía Corriente de fuga despreciable DESVENTAJAS Corriente de fuga despreciable pero que aumenta con un impulso de tensión Calentamiento de los componentes a la larga Tiempo de respuesta lento

41 Tecnología de los limitadores Coordinación de tecnologías Obtener el máximo beneficio de cada componente

42 Origen de las sobretensiones Consecuencias Limitadores de sobretensiones. Tecnología Qué limitador instalar? Cómo instalar los limitadores? Continuidad de servicio Gama de limitadores de sobretensiones

43 Qué limitador instalar? Aspectos a considerar Probabilidad de caída de rayos. Depende de la zona geográfica(mapa de densidad de caída de rayos) Tipo de red: - de distribución de energía - red telefónica Presencia o no de pararrayos coste y sensibilidad de los materiales a proteger coste de la inoperatividad del equipo

44 Qué limitador instalar? Nivel de protección: Up El nivel de protección no debe ser nunca menor que la tensión impulsional máxima que son capaces de aguantar las cargas que se desean proteger. Informática profesional Equipos médicos Ordenadores personales, Modems Domótica Máquinas con electrónica Aparato electrodoméstico Aparato industrial Contador eléctrico 0,5 kv 1 kv 1,5 kv 2,5 kv 4 kv 6 kv

46 Cómo instalar los limitadores? Instalación en los cuadros Reglas de cableado Regla 1: no sobrepasar 50 cm para la conexión del limitador y el interruptor automático Regla 2: salidas de los conductores protegidos se deben de tomar en los bornes del limitador y del interruptor de desconexión Regla 3: cables de llegada fase, neutro y tierra se han de juntar para reducir superficie del bucle Regla 4: Separar los cables de llegada al limitador de los de salida

47 Cómo instalar los limitadores? Instalación en los cuadros Lo más cortas posibles Ucarga = U1 + Up + U3 L1 L2 L3 U1 Up U3 C A R G A U1 = L1 di/dt Up : característica del limitador de sobretensiones U3 = L3 di/dt di/dt: valor muy elevado para sobretensiones de origen atmosférico L1 + L2 + L3 < 50 cm

48 Cómo instalar los limitadores? Regla de los 10 m: Para evitar que P2 actúe antes que P1 debe existir una distancia mínima entre ellos P1 Coordinación de limitadores Asegurar un valor elevado de evacuación de corriente (Imáx elevado) y un valor de tensión residual bajo (Up pequeña) U1 P2 U2 Ejemplo: P1: tensión de cebado 2,5 kv P2: tensión de cebado 1,5 kv tensión inductiva : 50 V/m P1 : Imáx 1, In 1, Up 1 P2 : Imáx 2, In 2, Up 2 U3 L1=L2 50 * L * L2 + Up2 > Up1 si L1 = L2; L1 > (2,5-1,5) * 10 3 / 200 L1 > 10 m Imáx 1 > Imáx 2 U p1 > U p2

49 Cómo instalar los limitadores? Coordinación de limitadores Regla de los 30 m: Para evitar aumento en la tensión residual soportado por los receptores P1 d 30m Receptor Si la distancia entre el limitador P1 y el receptor es superior a 30 m, se deberá instalar otro limitador en paralelo Receptor P1 P2

51 Continuidad de servicio Limitadores de sobretensión y protección diferencial Sobretensión Generación de corrientes de fuga a través de las capacidades de la instalación Disparos intempestivos en los diferenciales limitador ID si s Receptores

52 Continuidad de servicio Destrucción del limitador por sobretensión muy alta 55 ka Qué le ocurre a un varistor cuando sobrepasa su intensidad máxima? Se cortocircuita el varistor Necesidad de dispositivo de desconexión 15 ka 15 ka

53 Continuidad de servicio Sistema de desconexión Qué interruptor magnetotérmico se debe colocar? Imáx 8 a 40 ka 65 ka Curva C C Calibre 20 A 50 A

54 Continuidad de servicio Protección contra el envejecimiento Qué es el envejecimiento de un limitador? Debido a muchas sobretensiones de valor menor a la intensidad máxima Desconexión térmica Fusible interno y señalización Desconexión térmica Señalización a distancia Señalización visual

56 Limitadores PRD Contacto seco de señalización a distancia de fin de vida Auxiliares de señalización a distancia Cartuchos desenchufables Señalización de fin de vida Señalización del estado del PRD - blanco: buen estado - rojo: necesidad de cambio

57 Limitadores PRD Características Mantenimiento: Cambio de cartucho de una fase o neutro sin necesidad de descablear. Optimización: de la protección al utilización de manera combinada de varistores y descargadores de gas permite obtener una Ures pequeña pero con un fuerte poder de disipación y corriente de fuga despreciable Máxima protección: se realiza una protección ante una sobretensión en modo común y en modo diferencial

58 Limitadores PRD Configuración interna de los limitadores PRD L/N N L L1 L2 L3 N L1 L2 L3 1P 1P+N 3P 3P+N

59 Limitadores PRD Ejemplos de conexión TT monofásica para redes de BT Cuadro eléctrico L1 N Interruptor diferencial Interruptor auto. magnetotérmico Receptor N L PRD (1P+N) Toma tierra del neutro Toma de tierra de masas

60 Limitadores PRD Ejemplos de conexión TT trifásica para redes de BT Cuadro eléctrico PEN L1 L2 L3 Interruptor auto. magnetotérmico Receptor PRD (3P) Toma tierra del neutro Toma de tierra de masas

61 Limitadores PRD Ejemplo de instalación en un cuadro Interruptor diferencia 300 o 500 ma S o retardadol Interruptor diferencial si 30 ma Interruptor automático magnetotérmico Limitador PRD D1 + d2 + d3<50 cm

62 Limitadores PRC/PRI Protegen redes telefónicas analógicas y digitales, automatismos entre 12 y 48 V y redes informáticas o de datos a 6V PRC paralelo EM PRC serie PRI v PRI 6 v RM Up=700 V Imax=10 ka Up=300 V Imax=10 ka BP=3 Mhz Up=70 V Imax=10 ka BP=6 Mhz Telefonía Analógico Numérico Automatismo informático Up=15 V Imax=10 ka BP=90 Mhz

63 Limitadores PRC paralelo Protección de redes telefónicas Red telefónica Montage en paralelo: - Tensión nominal: 200 V CA - Tensión máx.de la señal: 220 V CA - Nivel de protección(up): 300 V - Compatible con auxiliar EM/RM - Conforme a la norma EN 60950

64 Limitadores PRC serie Protección de redes telefónicas Red telefónica Montage en serie: - Tensión nominal: 200 V CA - Tensión máx.de la señal: 220 V CA - Nivel de protección(up): 700 V - Compatible con auxiliar EM/RM - Conforme a la norma EN 60950

65 Limitadores PRI 12/24/48 V Redes telefónicas digitales y automatismos,12 48 V Alimentación V Montage en serie - Tensión nominal: 12/24/48 V - Tensión máx.de la señal: 14/27/53 V - Nivel de protección(up): 70 V - Compatible con auxiliar EM/RM - Conforme a la norma EN 60950

66 Limitadores PRI 6 V Redes informáticas o de datos, 6 V Alimentación 6V Montage en serie - Tensión nominal: 6 V - Tensión máx.de la señal: 7 V - Nivel de protección(up): 15 V - Compatible con auxiliar EM/RM - Conforme a la norma EN 60950

67 Auxiliares de señalización EM/RM Alimentación EM/RM 230 V-50hz Compuestos de 2 bloques ópticos, un emisor y un receptor Función: Señalizar a distancia la situación de reserva o la desconexión del limitador mediante un visor rojo o verde en el frontal. 15 módulos maxi 270 mm 6 V CC o 250 V-50Hz El EM se monta la izquierda y el RM a la derecha del limitador

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