Dimensionamiento de Supresores de Transitorios, TVSS

SUPRESORES DE TRANSIENTES TVSS. Por: I.E MARTÍN MERCADO GOMEZ SALES MANAGER LCS LUMINEX- LEGRAND CONCEPTOS PRIMORDIALES: Los supresores de transientes TVSS (Transient Voltage Surge Supressors) Supressors) o dispositivos de protección contra sobretensiones transitorias DPS (Device Protective Device) están conceptualizados por las normas internacionales como equipos destinados a proteger las instalaciones eléctricas contra aquellas sobretensiones generadas por fenómenos transitorios. Estos fenómenos inesperados traen consigo consecuencias dramáticas para las instalaciones y cargas sensibles. Por esta razón, su importancia dentro del sistema de protecciones. Dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias - DPS (Surge Protective Device) según  la norma NTC 4552 es un d ispositivo destinado a limitar las sobretensiones transitorias, evacuando las corrientes asociadas a dicha sobretensión.

OTROS CONCEPTOS Sobretensión transitoria (Surge): tensión anormal entre dos puntos del sistema, que es mayor que el valor máximo presentado entre los mismos dos puntos bajo condiciones de servicio normal. Sistema de protección interna - SPI: es el conjunto de decisiones y dispositivos encaminados a reducir las sobretensiones transitorias que se pueden presentar al interior de una instalación. Rayo (Lightning ): ): La Descarga Eléctrica Atmosférica o más comúnmente conocida como Rayo es un fenómeno físico que se caracteriza por una transferencia de carga eléctrica de una nube hacia la tierra, de la tierra hacia la nube, entre dos nubes, al interior de una nube o de la nube hacia la ionosfera. Nivel Ceráunico - NC (Keraunic Level ): ): número de días al año en los cuales es oído por lo menos un trueno. Densidad de descargas a tierra - DDT : número de descargas individuales (Strokes) a tierra por  kilómetro cuadrado/año. Medida en área de 9 km2 (3 km x 3 km). Permite cuantificar la incidencia de rayos en la zona. Después de alinderar algunos conceptos primordiales es de vital importancia definir el concepto de un régimen transitorio y sus orígenes: Los regímenes transitorios poseen dos causas: 1. Origen Externo 2. Origen Interno Las sobretensiones de origen externo son ocasionadas por descargas eléctricas tipo atmosférico y dependen directamente de las descargas por kilómetro cuadrado año asociadas con el nivel ceráunico. Este parámetro enmarca enmarca a Colombia dentro de un caso muy especial de alta incidencia de rayos. Para evidenciar estos conceptos es preciso delimitar ciertos aspectos del fenómeno rayo según la NTC 4552 así:

Los transitorios de origen interno están asociados con las sobretensiones correlacionadas con maniobra y conmutación. Prácticamente todas las conmutaciones en las redes i ndustriales, y particularmente las de elevada potencia, producen sobretensiones. La apertura de circuitos de protección o de mando compuestos por contactores y relés, en aplicaciones de transferencia de redes, bancos de condensadores, puesta en marcha de motores de gran potencia, encendido de soldadores y balastros. Estas maniobras generan sobretensiones de tipo oscilatorio, de alta frecuencia y con tiempos de amortiguación rápida. Estos transitorios pueden perturbar el funcionamiento de ciertas cargas sensibles como computadores. Los TVSS surgen y aparecen en el mercado como respuesta y solución a este tipo de fenómenos, para lo cual es de vital importancia seleccionarlos adecuadamente y mucho más si consideramos que en Colombia la actividad de rayos es bastante alta. Para la selección, establecimiento de características, pruebas y demás temas correlativos existen normas internacionales y algunas consideraciones en normas locales tales como:  ANSI/IEEE C62.41 Recommended Practice on Surge Voltages in Low Voltage AC Power Circuits  ASI/IEEE C 62.45 IEEE Guide of Surge Testing for Equipment Connected to Low Voltage AC Power  Circuits  ANSI/IEEE C62.33 – Standard Test Specifications for Varistors Surge Protective Devices NTC 4552- Norma Técnica Colombiana de Protecciones Externas RETIE- REGLAMENTO TECNICO DE INSTALACIONES ELECTRICAS.. UL1449 Segunda edición – Transient Voltage Surge Supresión Si nos sumergimos en el régimen legislativo nuestro RETIE en materia eléctrica, vale la pena destacar que los dispositivos de protecciones transitorias mayores y menores de 1000 Voltios, poseen posición arancelaria controlada, por lo que estos productos deben demostrar el cumplimiento de los requisitos exigidos mediante un Certificado de Conformidad con el RETIE expedido por un ente de certificación acreditado por la SIC o por el mecanismo que dicha entidad determine. Todo transformador, línea aérea o cable subterráneo de media, alta o extra alta tensión, deben disponer de DPS. En los demás equipos de media, alta o extra alta tensión o en redes de baja tensión o uso final, la necesidad de DPS dependerá de una evaluación técnica objetiva del nivel de riesgo por sobretensiones transitorias a que pueda ser sometido dicho equipo o instalación. Tal evaluación técnica, deberá tener en cuenta entre otros factores, el uso de la instalación, la coordinación de aislamiento, la densidad de rayos a tierra, las condiciones topográficas de la zona, las personas que podrían someterse a una sobretensión y los equipos a proteger. Desde el punto de vista práctico la norma ANSI/IEEE C62.41 establece varios tópicos para la selección de un DPS: 1. 2. 3. 4.

CLASIFICACION NIVEL DE EXPOSICIÓN TENSIÓN Y CONEXIÓN CLAMPING

5. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO DE LA INSTALACIÓN 6. OTROS

1. CLASIFICACION La norma IEEE C62.41 determina 3 categorías de utilización de los supresores que depende del lugar donde serán instalados:  A. Como protección directa de las carga, (salidas de tomacorriente). B. Como protección de alimentadores de gran potencia y circuitos ramales cortos. (tableros de distribución) C. Como protección primaria en la cabecera de la instalación contra sobretensiones externas. Punto de entrada entre el transformador y el primer medio de desconexión. Por otra parte la normatividad establecer los charts que definen los valores pico que han de ser  soportados por los DPS en una cantidad de 1000 eventos. Por ejemplo un supresor clase C3 rateado por la norma para 10 KA debe estar dimensionado para que soporte 1000 eventos de 10 KA; para lo cual los fabricantes desarrollan sus diseños y en muchos casos bajo modelamiento americano este termina siendo de 100 o 150 KA. Por otra parte este chart determina los tipos de onda modelados: 1. Tipo Combination wave 8/20 us en corriente y 1.2/50 us en tensión. 2. Tipo Ring wave 0.5 us/ en onda subamortiguada. Siendo la tipo 1 la onda tipo rayo americanamente modelada para la señal tipo rayo.

2. NIVEL DE EXPOSICION El nivel de exposición está asociado con el nivel de riesgo en cuanto a fenómeno rayo se refiere: Los mecanismos del rayo son muy complejos, pero podemos decir de manera simplificada que se trata de una descarga eléctrica de gran energía provocada por una diferencia del potencial entre

nubes o entre nubes y suelo. Las corrientes de rayo alcanzan valores de 10 a 300 kA, con tiempos de aumento de unos pocos microsegundos. No todas las zonas geográficas tienen el mismo riesgo. El riesgo local de tormenta viene determinado por el nivel ceráunico. En la práctica, se usan mapas de densidad de caídas de rayos que son establecidos con observaciones de los últimos cincuenta años (red metereológica) y cuantifican la cantidad de impactos por año y por km 2. (mapas isoceraúnicos- ver mapa isoceraúnico de Colombia). Cuando incide un rayo, su corriente produce una sobretensión impulsional que se propaga en un radio de varios kilómetros y su dispersión en la tierra eleva su potencial, induciendo fuertes sobretensiones en los cables subterráneos y aumentando la tensión en las tomas de tierra. Para evidenciar estos conceptos es preciso delimitar ciertos aspectos del fenómeno rayo según la NTC 4552 así: El rayo es un fenómeno meteorológico de origen natural, cuyos parámetros son variables espacial y temporalmente. La mayor incidencia de rayos en el mundo, se da en las tres zonas de mayor  convección profunda: América tropical, África central y norte de Australia. Colombia, está situada en la Zona de Confluencia Intertropical. Los parámetros de las rayos utilizados para encontrar el nivel de riesgo son la Densidad de Descargas a Tierra - DDT, y la corriente pico absoluta promedio (I abs) expresada en kiloamperios, asignando una mayor relevancia a la primera de éstas, debido a que existe mayor probabilidad de que una estructura se vea afectada dependiendo de la cantidad de descargas a la que está expuesta, que de la intensidad de las mismas. Los valores de I

abs

y de DDT deben tener el 50 % de probabilidad de ocurrencia o menos, a partir de 2

datos multianuales. Además se debe tomar un área de 9 km (3 km x 3 km) o menos, teniendo en cuenta la exactitud en la localización ( location accuracy ) y la exactitud en la estimación de la corriente 1 pico de retorno (lightning peak current accuracy ) del sistema de localización de rayos .  Al encontrar la densidad de descargas a tierra con sistemas de localización confiables, implícitamente se considera la orografía del área, es decir, montaña, ladera, plano, etc. y la latitud.

El nivel de exposición está íntimamente ligado con el nivel ceraúnico y la densidad de Descargas.

Densidad de Descargas a Tierra (DDT): La densidad es un parámetro complementario al NC (nivel ceraúnico), que permite cuantificar la incidencia de rayos en la zona. Se puede utilizar la siguiente ecuación la cual presenta una mejor aproximación a los datos medidos en Colombia, que es función del NC y tiene en cuenta la latitud δ: DDT = (0,1 + 0,35 Sen δ ) 0,6 NC

Nivel ceráunico de Colombia. Por muchas décadas, el parámetro universalmente aceptado para caracterizar la actividad eléctrica atmosférica de una región ha sido el Nivel Ceráunico, definido como el número de días del año en que por lo menos es oído un trueno. La distribución espacio-temporal del NC a todo lo largo del territorio colombiano, mediante un estudio sistemático de datos de varios años se presenta en el Mapa de Niveles Ceráunicos. Mientras una de las zonas más tormentosas de Europa se encuentra en los Alpes, con Niveles Ceráunicos promedios multianuales de 30, algunas zonas de Colombia presentan promedios superiores a 140. Para efectos prácticos, en la sección de Publicaciones se encontraran algunos artículos en los cuales este parámetro se encuentra involucrado.

Régimen ceraúnico colombiano - distribución espacial. La distribución del fenómeno de tormentas eléctricas para las diversas regiones naturales del país es:

Región del Caribe: El nivel ceraúnico para la Guajira alta es menor a 20 tormentas eléctricas. Aumenta gradualmente hacia a Guajira baja. Un gradiente fuerte, mayor o igual a 120 tormentas eléctricas se pueden detectar alrededor de los puntos más altos de la Sierra Nevada de Santa Marta. Disminuye gradualmente a 40 tormentas eléctricas hacia las partes más bajas. En los llanos de Córdoba, Sucre, Bolívar, Magdalena y Cesar, el nivel cambia gradualmente de 80 tormentas eléctricas a 20 tormentas eléctricas a nivel del mar. Alrededor de Uraba así como la cordillera occidental y central, el nivel aumenta otra vez hasta 80 tormentas eléctricas.

Región Andina. El valle de Aburra y Medellín registran el nivel ceraúnico más alto del país con un núcleo de 140 tormentas eléctricas. Alrededor de los departamentos de Cauca y de Valle se pueden encontrar  varios núcleos con valores desde 60 a más de 100 tormentas eléctricas, la parte más baja se

encuentra en la cordillera central. El sureste del departamento de Nariño, donde la cordillera de los  Andes entra a Colombia, es una región que se caracteriza por ser de bajo nivel, con un máximo de 10 tormentas eléctricas. El Valle del Río Magdalena presenta una región de nivel alto que funciona a lo largo del río con valores de 100 tormentas eléctricas alrededor de del este Antioquia. En los llanos altos de Cundinamarca y Boyacá, la actividad de tormentas eléctricas alcanza un valor relativamente alto de 80 tormentas eléctricas. En la región vecina, una extensa región de 40 tormentas eléctricas se puede encontrar a lo largo de la cordillera oriental.

Región Pacífica. Varios grandes núcleos se pueden encontrar (60, 80, 100 y más tormentas eléctricas) a lo largo de la costa pacífica. Comparado con el extenso núcleo del departamento del Choco, la región meridional (por el departamento de Nariño) se coloca en un nivel inferior. El valor aumenta del lado costero al interior alcanzando 80 tormentas eléctricas en el centro del departamento de Nariño.

Región del Orinoco y del Amazonas. En los llanos orientales el nivel aumenta a partir de 40 tormentas eléctricas en el pie de la cordillera oriental hasta 120 tormentas eléctricas en el extremo colombiano oriental. En la frontera, sistemas progresivos de lengua vienen de Venezuela y entran a Colombia con un valor de 120 tormentas eléctricas. Van hacia el centro donde finalmente alcanzan un valor de 60 tormentas eléctricas. Grandes secciones del Amazonas registran valores de 40 a 60 tormentas eléctricas.

3. TENSIÓN Y CONEXIÓN El nivel de tensión y el grupo de conexión son fundamentales y es evidente discernir si la instalación es monofásica o trifásica y así mismo su nivel a 208V o 480 V , etc.. De la misma manera una vez se establece el nivel de tensión es esencial determinar si es conexión “Y” o “Delta”.

4. CLAMPING El camping o residual se define como tensión remanente del transitorio que el DPS desvía a tierra. Cuando el supresor esta derivando la intensidad generada por una sobretensión, en sus extremos aparece una tensión debida a su propia impedancia. El supresor ideal debe derivar toda la corriente de descarga generada por la sobretensión y la tensión residual generada debe ser menor que la soportada por el equipo a proteger. Los laboratorios UL en su publicación UL 1449 define diferentes niveles de tensiones residual que el bajo condiciones normales de utilización, el supresor deja pasar a la instalación (sobretensiones remanentes). Entre más bajo el nivel de “tensión residual” de un supresor, será mejor. Sin embargo, cuanto mayor sea la corriente máxima de descarga del supresor, mas alto será el valor  de la tensión residual (Clamping).

Conseguir un alto poder de descarga y un bajo valor de tensión residual en un mismo supresor es difícil, por lo que la utilización de un único TVSS no asegura la protección de toda la instalación donde existan equipos sensibles. Para ello se recomienda colocar 2 o más supresores de forma coordinada: dentro del concepto de coordinación de protecciones finas.

5. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO DE LA INSTALACION Los DPS se instalan normalmente en paralelo antes del primer medio de desconexión y esta conexión se realiza inmediatamente aguas arriba de la protección magnetotérmica. Dentro del proceso de filiación y selectividad en la coordinación de protecciones debe existir  perfecta correlación entre las protecciones finas (DPS) y las protecciones magnetotérmicas; para lo cual es de vital importancia considerar la capacidad interruptiva de estos. Se espera que una instalación eléctrica desde nivel de riesgo bajo hasta nivel de riesgo alto posea SPI (sistema de protecciones internas); el cual i ncluye intrínsecamente los DPS . Se espera que un DPS clase B desvie el transiente por maniobra y pueda manejar el clamping después de 2500 us por la protección instalada inmediatamente aguas abajo. En cualquier condición siempre se debe instalar una protección magnetotérmica aguas abajo del DPS o TVSS.

6. OTROS Existen otra serie de características que deben cumplir los DPS y que son mandatorios dentro de lo que es la selección y la especificación de estos dispositivos: Tiempo de respuesta inferior a 15ns La energía en joules asociada con la forma de onda y el valor pico de la onda. Los 10 modos de protección (tres fases con neutro, tres fases con tierra, neutro –tierra y fases entres sí). Modularidad en todos los modos de protección. (clase C). Listado UL 1449 que avala el cumplimiento de la norma ANSI/IEEE C62.41 Los supresores o TVSS limitan o filtran la potencia inducida por estas ondas de tensión a través de un sistema de varistores (Metal oxide Varistor – MOV) que absorben los impulsos de energía de la sobre tensión. Los varistores son elementos de resistencia variable (o de comportamiento no lineal), gracias a los cuales, los supresores se comportan como un cortocircuito, ante una sobre tensión de gran magnitud (que supere su valor de tensión ajustado: Umbral de disparo), derivando esa energía a tierra y evitando que pase por los equipos sensibles. Después de varios impactos, la varistancia envejece y debe reemplazarse; para lo cual las especificaciones de tensión de lo s MOV´s resultan bastante importantes.. Corriente máxima de descarga: Es el valor de la corriente en kA, que puede pasar por el supresor al menos una vez. Corriente nominal de descarga: Es la corriente de descarga (en kA) que el supresor debe soportar como mínimo 20 impactos sin deteriorarse. • • •

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Referencias. ANSI/IEEE C62.41 Recommended Practice on Surge Voltages in Low Voltage AC Power Circuits ASI/IEEE C 62.45 IEEE Guide of Surge Testing for Equipment Connected to Low Voltage AC Power Circuits

ANSI/IEEE C62.33 – Standard Test Specifications for Varistors Surge Protective Devices Horacio Torres- Elaboration and Application Of a Lightning Risk Map- CIGRE INTERNATIONAL CONFERENCE – Septiembre de 1998 NTC 4552- Norma Técnica Colombiana de Protecciones Externas RETIE- REGLAMENTO TECNICO DE INSTALACIONES ELECTRICAS..