NEC ARTÍCULO 285 DISPOSITIVOS PROTECTORES CONTRA SOBRETENSIONES 1 kv o menos ALCIBÍADES MAYTA T 2 de Julio 2013
Tormenta eléctrica afectó funcionamiento de BANCONAL 2
Tormenta eléctrica afectó funcionamiento de BANCONAL El Banco Nacional de Panamá informó este lunes que los servicios de atención al cliente, como pago de impuestos y retiro de dinero se han visto suspendidos, debido a los daños causados al equipo central del banco durante una tormenta el domingo. 3
Tormenta eléctrica afectó funcionamiento de BANCONAL El BANCONAL indicó que dos rayos cayeron el domingo sobre sus instalaciones ubicadas en la vía Transístmica ( Simón Bolívar) causando daños en el equipo central del banco, lo que afectó las comunicaciones entre las sucursales. El Banco Nacional dijo que su personal trabaja para reparar este inconveniente. 4
Tormenta eléctrica afectó funcionamiento de BANCONAL 5
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De qué conversaremos? Qué entendemos por sobretensiones a las que se refiere el Artículo 285? De las fluctuaciones de voltaje Es necesario proteger los equipos contra las sobretensiones? Existe alguna obligación? De ser necesario proteger: quién deberá hacerlo: usuario o el prestador del servicio? 8
De qué conversaremos? Qué cultura tecnológica existe en Panamá con relación a los transitorios de voltaje en sistemas eléctricos? La función de un Surge Protective Device (SPD) El Artículo 285 del NEC y la utilización de los SPD 9
Transitorios en los sistemas eléctricos Un transitorio eléctrico es la manifestación externa de un cambio súbito en las condiciones del circuito, como cuando un interruptor abre o cierra o una falla ocurre en el sistema. Este período transitorio es usualmente muy corto. 10
Transitorios en los sistemas eléctricos La fracción de su tiempo de operación que la mayoría de los circuitos pasan en la condición transitoria es insignificante comparada con el tiempo que pasan en el estado estable. 11
Transitorios en los sistemas eléctricos Sin embargo, estos períodos transitorios son extremadamente importantes, porque es en tales ocasiones que los componentes del circuito están sometidos a grandes esfuerzos debido a corrientes excesivas o voltajes. En casos extremos, resultan daños. 12
Transitorios en los sistemas eléctricos Esto puede inutilizar una máquina, detener una planta, o apagar una ciudad, dependiendo del circuito implicado. Por esta razón una clara apreciación de los eventos que tienen lugar durante los períodos transitorios es esencial para una comprensión plena del comportamiento de los circuitos eléctricos. 13
Transitorios en los sistemas eléctricos Es desafortunado que muchos ingenieros eléctricos tengan una concepción muy vaga de lo que sucede en el circuito en tales ocasiones. Verdaderamente, algunos parecen ver el tema como bordeando las fronteras de lo oculto. 14
Transitorios en los sistemas eléctricos No obstante, los transitorios pueden ser comprendidos: ellos pueden ser calculados y algunas veces prevenidos, o al menos controlados, de modo que sean inocuos al circuito o sistema de potencia en el cual aparecen Tomado de la introducción del libro: ELECTRICAL TRANSIENTS IN POWER SYSTEMS: ALLAN GREENWOOD 15
Qué se entiende por sobretensión transitoria? Un aumento en la tensión: nominal? Tensión RMS, instantánea, pico? Las fases, el neutro, respecto a tierra? Con duración de Horas, minutos, segundos, mseg., seg.? A 60 Hz, a khz, a MHz? Son súbitas o graduales? Ocurren simultáneamente con otros problemas de calidad de onda?
Sobretensiones, tipos: Sobretensión transitoria Aparece un impulso Sobretensión temporal, permanente o a 60 Hz Aumenta la tensión
Fluctuaciones de tensión 18
Fluctuaciones de tensión 19
Evolución de la compatibilidad electromagnética (CEM) Grado de perturbación 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Inmunidad a la perturbación
Equipos afectados De todo tipo; eléctricos y electrónicos Daños en los equipos Mal funcionamiento Envejecimiento prematuro Destrucción Sobretensiones transitorias
Sobretensiones transitorias Origen de las perturbaciones: Caída directa en equipos eléctricos o en zonas próximas Rayo Caída indirecta en zonas alejadas pero que inducen intensos campos eléc. Maniobras eléctricas y de conmutación; aperturas o cierres de interruptores, arranque de motores, conmutación de cargas inductivas, etc. Fundamentalmente por la inductancia de las instalaciones Parásitos; ciertos equipos emisores de frecuencias industriales, tales como soldadura eléctrica, hornos de arco, motores, condensadores, etc. Acoplamientos; líneas eléctricas (aéreas y subterráneas), líneas de conmutación (aéreas y subterráneas), líneas de transmisión de datos, tomas de tierra,
Transitorio del voltaje en la desconexión 23
Comportamiento de la corriente durante la interrupción 24
Descargas atmosféricas e impulsos de voltaje Los impulsos inducido son descritos como un efecto secundario de la descarga y hay tres medios reconocidos por los cuales estos impulsos son inducidos en los cables de potencia y de datos.
Acoplamiento resistivo La descarga causa una elevación masiva del voltaje en la vecindad.
Acoplamiento resistivo La elevación de voltaje afecta los sistemas de aterrizaje y es conducido a través de estos a los edificios donde pueden viajar en el sistema eléctrico creando destrucción a lo largo de su trayectoria
Acoplamiento resistivo Adicionalmente, cada cable de datos o telecomunicaciones que conecta la edificación afectada a otra, proporciona una trayectoria que infecta aquella edificación también
Acoplamiento inductivo La descarga en el conductor, que forma parte del sistema de protección de la edificación, genera un pulso electromagnético de energía que puede ser captado, por los cables cercanos, en forma de un impulso destructivo de voltaje,
Sobretensiones transitorias Los daños que provocan las sobretensiones dependen de la forma de onda que les acompaña t
Sobretensiones transitorias La forma de onda viene definida por tres parámetros Valor de cresta; muy superior al valor admisible de condensadores, diodos y semiconductores en general Tiempo de crecimiento; es muy rápido, afecta a algunos componentes como tiristores y triacs Duración del Impulso; una larga duración avería a la mayor parte de los componentes t
Sobretensiones transitorias 90% 50% 30% 10% t 10 Tensión o Intensidad t 50 Onda t M / t D t M = tiempo de crecimiento t D = duración (μs) Para una ONDA DE TENSIÓN: t M = 1,67 (t 90 t 30 ) t D = t 50 t 30 Para una ONDA DE INTENSIDAD: t M = 1,25 (t 90 t 10 ) t D = t 50 t 10 Ejemplos de Ondas Normalizadas: ONDA DE TENSIÓN: 1,2 / 50 t 30 t 90 tiempo ONDA DE INTENSID.: 8 / 20 (μs) ONDA DE INTENSID.:10 / 350
Sobretensiones transitorias Distintos tipos de impulsos Impulsos tipo rayo < 100 s Conmutaciones en redes < 1 ms el 30% el 70% t
Forma de onda típica de corriente de rayo 30 ka/μs Valor típico:de5a40ka
Origen de las sobretensiones transitorias So Origen Interno Fallas eléctricos Conexión de bancos de condensadores Encendido y apagado de Motores Fuentes Conmutadas Máquinas de soldadura Equipos de Proceso,..
Origen externo Transitorios por maniobras Los cambios bruscos en las condiciones de funcionamiento establecidas de una red eléctrica provocan fenómenos transitorios: Sobretensiones de dispositivos de desconexión debido a la apertura de los dispositivos de protección y control: fusibles, interruptor automático, contactores. Sobretensiones de los circuitos inductivos debidas a arranques o paradas de motores, o la apertura de transformadores, como los centro de transformación de MT/BT. Sobretensiones de circuitos capacitivos debidas a la conexión de baterías de condensadores a la red.
Inserción de capacitores
Sobretensiones transitorias Tipos básicos, según el modo de propagación Modo COMÚN o ASIMÉTRICA Modo DIFERENCIAL o SIMÉTRICA Fases Neutro Fases Neutro U U Las sobretensiones se producen entre los conductores activos y Tierra [ Fases-Tierra o Neutro-Tierra ] Las sobretensiones se producen entre los propios conductores activos [ Fase-Fase o Fase-Neutro ]
Sobretensiones transitorias Funcionamiento de la protección
Sobretensiones transitorias Funcionamiento de la protección
Sobretensiones transitorias Funcionamiento de la protección
Sobretensiones transitorias Qué tipos de descargadores hay? Fundamentalmente hay dos tipos: DESCARGADORES DE GAS, DE AIRE, DE CORRIENTE DE RAYO, VIAS DE CHISPAS, LIMITADORES DE SOBRETENSIÓN, DESCARGADORES DE VARISTORES, RECORTADORES DE ONDA, SUPRESORES DE SILICIO O SELENIO, DESCARGADORES DE CARBÓN, DIODOS ZENER, Cada uno de los dos tipos, gestiona de distinta forma los impulsos de sobretensión
SPD O DISPOSITIVOS PROTECTORES DE SOBRETENSIÓN Un SPD es un dispositivo compuesto al menos por un componente no lineal cuyo propósito es limitar los impulsos de voltaje en los equipos eléctricos y es capaz de repetir esta función de acuerdo a lo especificado. Anteriormente habían sido conocidos como TVSS (transient voltage surge supressor) o pararrayos secundarios. 43
La función de un SPD 44
SPD y la UL 1449: un estándar reconocido por ANSI Una referencia comúnmente utilizada para el diseño y prueba de los SPD es la norma UL 1449 publicada por Underwriters Laboratories. Para mejorar la seguridad y la calidad de los supresores, la UL 1449, es revisada periódicamente y la publicación más reciente pertenece a la 3ª edición, de septiembre del 2006. Ésta, cuenta con el visto bueno de la industria desde el 29 de septiembre de 2009, y ha sido aceptada ya como una Norma Nacional Americana (ANSI). 45
La UL 1449 un estándar reconocido por ANSI Los supresores de sobretensiones transitorias se conocían como TVSS siglas de la palabra Transient Voltage Surge Suppressor. La 3ª edición de la norma UL 1449 los denominó Surge Protective Device (SPD) por dos aspectos: La norma y el término ahora incluyen en su campo de aplicación a los pararrayos secundarios que se utilizan en sistemas de hasta 1 000 V. El término Surge Protective Device define de mejor forma el propósito de los dispositivos, incluyendo los parámetros de tensión y corriente. 46
Clasificación de los SPD según la UL 1449 La UL 1449 3ª edición, clasifica los SPDs en 5 tipos diferentes. Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3, identifican los SPD,s que pueden instalarse dentro del sistema de distribución eléctrica de baja tensión dentro de los predios.. La clasificación Tipo 4, se refiere a los componentes de ensamblados; o aquellos que la UL define como los que se diseñan solamente para la instalación en fábrica de otro componente, dispositivo o producto. 47
Clasificación de los SPD según la UL 1449 La clasificación de Tipo 5, se refiere a los componentes discretos, como los varistores de óxidos metálicos (MOVs). Los SPDs Tipo 4 y 5, no pueden ser instalados en campo, a diferencia de aquellos dispositivos que se listan como de Tipo 1, 2 ó 3, siendo, por ello, la inclusión de estos una de las mejoras más significativas de la norma UL 1449 3ª edición. 48
Clasificación de los SPD según la UL 1449 49
Clasificación de los SPD según la UL 1449 Tipo 1 SPDs diseñados para conectarse de manera permanente en las instalaciones, entre el secundario del transformador de servicio y el lado línea o el lado carga del dispositivo de protección de sobrecorriente. 50
Clasificación de los SPD según la UL 1449 Tipo 2 Estos SPDs se conectan de manera permanente en el lado carga del dispositivo de protección contra sobrecorriente; incluyendo los SPDs que se localizan en el tablero derivado. 51
Clasificación de los SPD según la UL 1449 Tipo 3 El punto de utilización del SPD se instala a una longitud mínima de 10 metros del tablero de distribución derivado. Tipo 4 Se integra por uno o más componentes del Tipo 5, en conjunto con un desconectador (integral o externo), o un medio para satisfacer la prueba de limitación de la corriente.
Clasificación de los SPD según la UL 1449 Tipo 5 Son supresores de sobretensiones discretos, como varistores de óxidos metálicos, que pueden montarse en una tablilla de conexiones impresa, así como conectarse por medio de sus terminales o dentro de un envolvente, con un medio de montaje y cableado terminal.
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Valores de tensión característicos La norma UL 1449 3ª edición define la tensión de limitación medida también conocida por las siglas de la palabra Measured Limiting Voltage (MLV) como la tensión máxima después de aplicar un impulso. 55
Valores de tensión característicos La prueba de medición de tensión de limitación que ahora indica la norma UL 1449 3ª edición, especifica que la forma de onda que se aplica debe ser de 6000 V y 3 000 A, y el término con el que se designa a la tensión residual es el de tensión nominal de protección o VPR (Voltage Protection Rating). 56
Corriente de descarga nominal Tipo 1: 10 ka o 20 ka Tipo 2: 3 ka, 5 ka, 10 ka o 20 ka Tipo 3: se considera que estos SPDs, normalmente, no tienen un nivel de I(n). 57
Selección de la protección 1. Determinación del poder de derivación necesario (Imax ). Análisis del riesgo según tres grupos de parámetros: Parámetros debido al entorno: frecuencia de tormentas y probabilidad de caída de rayos (mapa isoceráunico). Parámetros de conexión de la instalación a la red eléctrica: presencia de pararrayos, acometida, situación en el edificio. 58
Selección de la protección Parámetros de seguridad: coste del cambio y reparación del equipo, coste del tiempo de inutilización, riesgo para el entorno o vidas humanas (petroquímicas, lugares abiertos de pública concurrencia. 59
Selección de la protección Recomendación para determinar una protección de Tipo I Mínimo de Iimp = 12.5 ka basado en el siguiente cálculo: 1. Corriente media de impacto de un rayo : 100 ka (solo el 5% son > 100 ka) 2. Distribución de Iimp en un 50% derivada a tierra y un 50% a la red eléctrica (distribuida entre los 4 conductores 3L + N) Iimp=50 ka /4 = 12.5 ka 60
Selección de la protección Recomendación para determinar una protección de Tipo II En función de Ng = densidad rayos anuales / km 2 Ng <2 2<Ng<3 3<Ng<4 4<Ng In (ka) 5 15 20 30 Imax (ka) 15 45 65 100 61
Selección de la protección 62
Selección de la protección Ejemplo de coordinación entre los tres dispositivos 63
NEC 2008 Artículo 285 - SPD 285.1 Alcance Este artículo cubre los requerimientos generales, requerimientos de instalación, requerimientos de conexión para SPD y TVSS El Artículo 285 solo cubre los SPD permanentemente instalados. No se aplica a los del tipo portátil de desconectar y enchufar 64
NEC 2008 Artículo 285 - SPD 285.3 Usos no permitidos No deberán ser instalados en: Circuitos que exceden 1 kv. En sistemas no aterrizados, sistemas aterrizados a través de una impedancia o en sistemas delta con esquina aterrizada a menos que hayan sido especificados para uso en estos sistemas Cuando el valor nominal del SPD es menor que máximo voltaje continuo de fase a tierra a frecuencia industrial disponible en el punto de aplicación. 65
NEC 2008 Artículo 285 - SPD 285.4 Número requerido Donde es usado en un punto de un circuito debe ser conectado a cada conductor no aterrizado. 285.5 Listado Un SPD será un dispositivo listado 285.6 Valor nominal de la corriente de cortocircuito. El SPD será marcado con un valor nominal de corriente de cortocircuito y no será instalado en un punto en el sistema donde la corriente de falla disponible excede aquel valor nominal. Estos requerimientos de marcado no se aplican a receptáculos. 66
NEC 2008 Artículo 285 - SPD 285.11 Localización Se permitirá que los SPD s sean localizados en interiores o exteriores y serán inaccesibles a personas no calificadas, a menos que estén listados para instalación en localizaciones accesibles. 285.11 Ruta de la conexión Los conductores utilizados para conectar el SPD a la línea o bus y a tierra no serán más largo de lo necesario y deberá evitarse quiebres innecesarios. 67
NEC 2008 Artículo 285 - SPD 285.23 SPD,s Tipo 1 (Pararrayos) Serán instalados de acuerdo en cumplimiento a 285.23(A) y (B). (A) Instalación: Los SPD Tipo 1 serán instalados como sigue: (1) Se permitirá que sean conectados al lado de suministro del interruptor de la acometida. (2) Será permitido que se conecten como se especifica en 285.24 (B) En la acometida. Serán conectados a: 68
NEC 2008 Artículo 285 - SPD (B) En la acometida. Serán conectados a: (1) El conductor aterrizado de la acometida. (2) El conductor del electrodo de aterrizaje. (3) El electrodo de aterrizaje para la acometida. (4) La terminal de aterrizaje de equipos en el equipo de la acometida. 285.24 SPD,s Tipo 2 (TVSSs) Serán instalados de acuerdo 285.24(A) hasta (C) 69
NEC 2008 Artículo 285 - SPD 285.24 SPD,s Tipo 2 (TVSSs) Serán instalados de acuerdo 285.24(A) hasta (C) (A) y (B) En cualquier punto del lado de carga del dispositivo de interrupción de sobrecorriente. (C) Sistema derivado separado: Serán conectados del lado de carga del primer dispositivo de sobrecorriente en un sistema derivado separado. 285.25 SPD,s Tipo 3 Se permitirá sean instalados en el lado de carga de la protección de sobrecorriente del circuito de ramal hasta el equipo servido. 70
NEC 2008 Artículo 285 - SPD 285.26 Tamaño del conductor Los conductores de línea y tierra no serán menores de 14 AWG cobre o 12 AWG aluminio. 285.27 Conexión entre conductores Se permitirá que se conecten entre cualesquiera dos conductores; conductores no aterrizados, conductor aterrizado, conductor de aterrizaje de equipos o conductor del electrodo de aterrizaje. El conductor aterrizado y el conductor de aterrizaje de equipos serán interconectados solamente durante la operación normal del SPD durante un impulso. 71
GRACIAS 72