Sobretensión de Transitorios

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?
10
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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 C62.41-1991 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
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
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
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
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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 C62.41-1991).
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.
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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
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
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
6
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
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 169.68
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 169.68. Por consiguiente, un
voltaje total de 319.68 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 1974. Su estudio fue
resumido en el Documento de Conferencia #C 74-1996
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
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
C62.41-1991 (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
Las formas de onda de 1.2/50µs y 8/20µs también se
definen en el IEEE C62.41-1991. 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 C62.41-1991. 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
¿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
10
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 WM85243-1. 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
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 C62.41-1991 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.
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