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Notas de Ingeniería

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Sobretensión de Transitorios y Tecnologías deSupresión: Una Comparación de Manzanas y Peras

Supresores de Varistores de Óxido de Metal (MOV) ContraSupresores de Diodos de Avalancha de Silicio (SASD) 2

Sobretensión de Transitorios (Definición y Explicación) 7

¿Por Qué las Redes de Filtros no Pueden ProporcionarProteccíon Adecuada Contra la Actividad Transitoria? 8

¿Qué Tan Confiables Son Las Clasificaciones de AltaCapacidad de Supresión de Sobrecorriente? 10

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Sobretensión de Transitorios y Tecnologías de Supresiónde Transitorios: Una Comparación de Manzanas y Peras

Supresores de Varistores de Óxido de Metal (MOV) Contra Supresores deDiodos de Avalancha de Silicio (SASD)

La única función de un supresor detransitorios de buena calidad es protegerel equipo electrónico sensible contrasobretensiones transitorias que estánpresentes en los circuitos de potencia deCA. No importa si dichas sobretensionessean generadas por la actividadatmosférica o si sean inducidas sobre laslíneas de potencia de CA por laconmutación de red de la central eléctrica,las acciones de corrección del factor depotencia, los ciclos de potencia de cargasinductivas, o por otras fuentes. Debelimitar las sobretensiones transitorias avalores que no sobrepasen los picos de laonda senoidal de CA por más del 30%cuando absorba inicialmente cantidadesintensas de energía transitoria. Elsupresor debe responder inmediatamentea los transitorios antes de que los impulsoslleguen a sus valores de voltaje máselevados. También, sus características dedesempeño no deben desviarse odegradarse con el uso o a través del tiempoa medida que suprima niveles muy altosde energía transitoria.

Las sobretensiones transitorias sonestandarizadas por diferentes formas deonda. La industria de supresión detransitorios ha adoptado el documentoIEEE C62.41-1991 de la Sociedad deIngeniería de Potencia del IEEE, con eltítulo IEEE RECOMMENDED PRACTICEON SURGE VOLTAGES IN LOW-VOLTAGEAC POWER CIRCUITS, como la norma parasometer a pruebas a los supresores detransitorios. Esta guía sugiere variasformas de onda de voltaje y corriente quese pueden utilizar para someter a pruebasa los dispositivos de supresión. La forma

de onda del IEEE utilizada con más frecuencia es la OndaCombinada. La onda combinada está caracterizada porformas de onda de corriente (8/20ms) y voltaje (1.2/50µs)de corta duración y alta frecuencia que típicamente sonutilizadas para simular la actividad transitoria inducidapor descargas atmosféricas. Los impulsos de prueba decorriente y voltaje de mayor duración, energía, y menorfrecuencia (10/1000µs), también detallados dentro de lamisma documentación del IEEE, son recomendados parasimular la actividad transitoria distinta a los rayos. Lossupresores de transitorios de buena calidad, sin importarsu tecnología de supresión, deberían estar sometidos aprueba tanto con las formas de onda de corta duración comocon las de larga duración. La onda combinada consiste endos formas de onda de muy corta duración. Estos sonimpulsos de voltaje en circuito abierto (1.2/50µs) y corrientede cortocircuito (8/20µs). Los niveles reales de voltaje ycorriente son seleccionados en referencia a la ubicacióndentro del sistema de distribución eléctrica donde el supresorde sobretensión va a ser utilizado. Las ondas combinadasse muestran abajo.

Cuando se utilizan dichas formas de onda para sometera pruebas a los supresores de transitorios, un supresorse conecta a un circuito abierto. Luego se somete a unimpulso de sobrevoltaje que sube al 90% de su amplitudpico en 1.2 microsegundos. El voltaje baja al 50% de dichovalor después de 50 microsegundos. Un impulso decorriente que llega a su valor máximo en 8 microsegundosy baja al 50% en 20 microsegundos, es pasado a uncortocircuito donde el supresor está conectado.

La onda combinada proporciona un punto de partida paraanalizar las características de desempeño de un

Cuadro 1. Como esta generación tiene unaimpedancia interna de 20Ω , el valor máximode corriente será de 3000A. El supresor esconectado al generador para pruebas.

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supresor, incluyendo los puntos de fijación iniciales, oNiveles de Voltaje de Protección (VPL), y las capacidadesde disipación de potencia.

Desgraciadamente, los impulsos de prueba de cortaduración no aportan lo suficiente para darle al usuariodel supresor una idea clara de como va a funcionar cuandotenga que suprimir actividades transitorias en campo (osea fuera del laboratorio) que fatigan más al supresor yque no son causadas por rayos. Son estos impulsos quelos supresores de transitorios tienen que suprimir conmás frecuencia en los ambientes reales de los usuarios.Dicha actividad transitoria típicamente está caracterizadapor formas de onda de frecuencia más baja (hasta 1 kHz)de 10/1000µs. Estas son las sobretensiones transitoriasgeneradas dentro de los edificios debido a la conmutaciónde red de la central eléctrica, los ciclos de potencia decargas inductivas, etc. Las formas de onda de laboratorioutilizadas para simular esta actividad transitoria semuestran a continuación.

La naturaleza física del sistema de distribución eléctricalimita que tan lejos los rayos inducidos u otrassobretensiones transitorias de corta duración puedanviajar a través del circuito eléctrico. Se requieren voltajestransitorios de extremadamente alto valor para conducirla sobrecorriente de alta energía hacia el interior de unedificio. Los voltajes transitorios están limitados(típicamente a 6000 voltios) en la base del medidor, loque evita que dichas corrientes se propaguen tanto, haciael interior del edificio. Sin embargo, la mayoría de lostransitorios surgen de fuentes distintas a los rayos y esmucho más probable que viajen distancias más largas através del sistema de potencia de CA. Estassobretensiones transitorias son más dañinas a las cargaseléctricas porque no son atenuadas a través de lasdistancias más cortas en comparación con los impulsosinducidos por rayos.

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Aunque es muy importante que un supresor detransitorios sea capaz de suprimir impulsossimulados en laboratorio y/o generados por laactividad atmosférica, es igual de importante o hastamás importante que el supresor tenga un buenfuncionamiento cuando suprima transitorios de largaduración. Los supresores destinados a proteger enlos tableros secundarios o en las tomas eléctricastendrán que suprimir la actividad transitoria de largaduración con más frecuencia que la actividad inducidapor rayos. El supresor debe mantener sus funcionesde supresión y disipar la energía contenida dentro delas formas de onda transitorias de mucho mayorduración. Un supresor de buena calidad debe serdiseñado para tener un buen desempeño sin importarque suprima transitorios de corta o de larga duración.Los supresores de transitorios se deben someter apruebas con las formas de onda de laboratorio tantode larga como de corta duración para confirmar estosrequerimientos de supresión.

Los supresores de transitorios hechos por diferentesfabricantes utilizan varias tecnologías de supresiónincluyendo selenio, tubos de gas, varistores de óxido demetal (MOVs), diodos supresores de avalancha de silicio(SASDs), o combinaciones de estos como suscomponentes de supresión. Sin embargo, la mayoría delos supresores utilizan o MOVs o SASDs, o unacombinación de los dos. Por consiguiente, es muyimportante hablar de las ventajas y desventajas de lasdos tecnologías de supresión más comunes.

Varistores de Óxido de Metal (MOVs)

Los MOVs son resistores variables no lineales conpropiedades de semiconductores. Típicamente sonconstruidos con fragmentos de óxido de zinc queproducen características resistivas no lineales. Laspartículas de óxido de metal resultantes se comprimenbajo presión muy alta para formar discos de variostamaños. Los terminales eléctricos son unidos a losdiscos y el componente terminado está cubierto con unmaterial aislante. La característica de limitación de voltajede los MOVs tiene que ver con la suposición de que amedida que el varistor conduce corriente transitoria, su

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resistencia interna incrementa o disminuye inversamente yproporcionalmente para mantener una caída constante devoltaje a través del MOV. Desgraciadamente, suscaracterísticas resistivas no lineales excluyen cambiossimétricos de resistencia en relación con desviaciones de lacorriente suministrada. Como resultado, la caída de voltajea través del MOV incrementa dramáticamente a medida queel varistor conduce valores mayores de corriente.

Originalmente los MOVs fueron diseñados para proteger losdevanados de motores eléctricos, y para proteger contra laruptura de aislamiento del alambrado. Hay dos ventajasasociadas con los MOVs en relación con los supresores detransitorios. Son económicos y disipan valoresrazonablemente altos de corriente transitoria.

Los supresores seleccionados para proteger en puntosespecíficos a través del sistema de distribucióneléctrica deben ser calibrados según su ubicaciónfísica. Se deben utilizar productos de disipación demayor energía en los puntos principales de distribuciónen comparación con los tableros secundarios o en lastomas eléctricas. Aun así, los supresores destinadosa proteger desde un tablero principal de “exposiciónbaja” o un tablero secundario dentro de cualquierinstalación rara vez requieren ser diseñados parasuprimir más de 3000 amperios de corrientetransitoria. Esto es debido a que los huecos en la basedel medidor están diseñados para limitar el voltajerequerido para conducir las corrientes externas queexceden estos niveles hacia el interior del sistema dedistribución eléctrica de la instalación. La gráficamuestra que se requieren voltajes de alto nivel,sobrepasando los 6000 voltios, para impulsar lasobrecorriente que excede 5000 amperios, más de 10metros hacia el sistema de distribución eléctrica(según IEEE C62.41-1991).

Numerosas desventajas empiezan a ser evidentes cuandolos supresores hechos con MOVs se utilizan para protegerla circuitería electrónica sensible.

1) El supresor fabricado con MOVs no puede mantener unnivel de voltaje de protección (VPL) estable a medida queconduce valores mayores de corriente. No puede cumplircon el requisito de limitar las sobretensiones transitorias avalores que no sobrepasen los picos de la onda senoidal pormás del 30% a medida que el dispositivo conduce nivelesmayores de corriente transitoria. La gráfica al ladodemuestra dicha deficiencia.

Note que la curva que representa la acción de recorte delMOV se desestabiliza a medida que conduce corrientetransitoria de mayor duración. Para propósitos decomparación, note también que un supresor fabricado conSASDs no sufre de las mismas desventajas, como demuestrala curva que representa la supresión del SASD de la actividadtransitoria de alta corriente.

Algunos productos de supresión hechos con MOVsafirman capacidades muy altas de sobrecorriente, hasta300,000 amperios, sin mencionar el nivel de voltaje deprotección. Estas cifras parecen ser muyimpresionantes. Sin embargo, un análisis más a fondorevela que esta práctica es engañosa en el mejor de loscasos, y con frecuencia sin sentido. El MOV individualfrecuentemente se evalúa con clasificacionesrazonablemente altas de “sobrecorriente pico.” Si unproducto utiliza múltiples MOVs de 20mm conectadosen paralelo como se muestra abajo, con frecuencia losfabricantes simplemente suman las clasificaciones decorriente de los componentes de MOVs individuales paraafirmar capacidades totales e impresionantes desupresión. Es como decir que las llantas de su carroviajarán 200,000 millas porque cada llanta es de 50,000millas radiales. Simplemente no es verdad ya que llegaa ser imposible coordinar la conducción simultánea demúltiples MOVs debido a la variación de tolerancias delos componentes y ciclos de degradación.

Aún cuando el supresor esté construido con MOVsde 32mm ó 40mm capaces de suprimir valoresmucho mayores de corriente, sigue siendo difícildeterminar los verdaderos niveles de voltaje deprotección al máximo valor nominal de corriente. Esmuy probable que el VPL sea de un valor tan alto

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que el supresor no pueda realizar su función deproteger el equipo electrónico.

2) Los varistores de óxido de metal se degradan con eluso. Las trayectorias de conducción de corriente del MOVson a través de partículas de óxido de zinc. Dichaspartículas se debilitan a medida que sus característicasresistivas cambian después de conducir corriente. El ciclode degradación llega a ser más profundo a medida que elMOV conduce con más frecuencia y a medida que conducevalores mayores de corriente. Aunque los MOVs másgrandes son más robustos, continúan siendo afectadospor los mismos problemas.

El MOV de 32mm es un poco más robusto pero no mucho.Puede manejar un impulso de 20,000 amperios y hastamil pulsos de 900 amperios (8/20µs) pero solo un impulsode corriente de 450 amperios con la 10/1000µs. Cuandoel MOV de 32mm tiene que suprimir mil impulsos desobrecorriente de 10/1000µs, su capacidad máxima desobrecorriente baja a un valor de apenas 50 amperios, yen este punto falla.

Las partículas de óxido de cinc se fusionarán, formandoáreas de superficie cada vez más amplias (pools), similara lo que ocurre cuando los MOVs entran en modo de fallade fuga térmica, o incrementarán su resistencia(quemándose) hasta que la conducción de corriente yano se puede lograr. A la larga, el MOV pondrá encortocircuito al circuito de potencia protegido, o másprobable, cortará totalmente la conducción de corriente.Los ciclos típicos de degradación del MOV empiezancuando el componente deja de conducir corriente en supunto original de recorte, resultando en niveles más altosde voltaje de protección (VPL). Los VPLs continúanincrementando a medida que los MOVs siguendegradándose. Con el tiempo, los valores de voltajerequeridos para activar el MOV llegarán a niveles tanextremos que lo vuelve inútil. En otras palabras, a medidaque el MOV se deteriora al final dejará de funcionar. Enalgunos casos, el MOV ya no funciona como varistor sinocomo resistor. Dicho resistor puede calentarse a medidaque conduce corriente y así presentar un riesgo deincendio. En cualquier caso, no se proporciona protecciónalguna contra transitorios para las cargas electrónicascríticas en el circuito de potencia afectado. La mayoría delos fabricantes de los componentes de MOVs (no lossupresores en si) les avisan a los usuarios que seconsidera que el componente ha fallado después de quesu VPL inicial haya tenido un cambio de +/- 10% de suvalor original.

3) Los varistores están sujetos a condiciones de “fugatérmica” cuando sus puntos iniciales de fijación o VPLsse establecen demasiado cerca al voltaje nominal dela línea de CA. En estas situaciones conducen corrienteinapropiadamente. Los MOVs conducen pequeñascantidades de corriente eléctrica cuando estáninstalados a través de una fuente de potencia de CA.Conducen más corriente cuando el VPL estáconfigurado más cerca al valor de voltaje pico de laonda senoidal de CA. A medida que continúa laconducción, la temperatura interna del MOV se elevay conduce valores de corriente aún más altos. A travésdel tiempo, este proceso continúa hasta ponerlo en“cortocircuito.” Esto sobrecarga a los circuitos eléctricos,causando que los interruptores automáticos se abran, ypuede disparar a los interruptores accionados por pérdidade conexión a tierra. Se han documentado incendios

El diagrama al lado compara la vida esperada de un MOVde 20mm con uno de 32mm después de un solo impulso.

Note que aunque el MOV de 20mm puede aguantar milimpulsos de corriente de 500 amperios (8/20µs), seautosacrifica al suprimir solo un impulso desobrecorriente de 6,500 amperios (8/20µs). Su capacidadde sobrecorriente disminuye significantemente amedida que se somete a los impulsos de corrientetransitoria más comunes, los de duración más larga 10/1000µs. En esta situación se puede esperar que el MOVde 20mm falle al ser sometido a solamente mil impulsosde corriente de 40 amperios (10/1000µs) y cuando tieneque suprimir un solo impulso de sobrecorriente de 200amperios (10/1000µs).

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causados por los supresores hechos con MOVs por razonesde trastornos de fuga térmica. Para evitar estos modos defalla catastróficos, el VPL inicial de los productos de supresiónfabricados con MOVs y diseñados apropiadamente, por logeneral se configuran con valores más altos, así eliminandola habilidad del dispositivo de proporcionar protecciónadecuada contra transitorios.

Diodos Supresores deAvalancha de Silicio (SASD)

Los Diodos Supresores de Avalancha de Silicio (SASD) sonverdaderos semiconductores de estado sólido, al igual quelos componentes de la circuitería sofisticada del equipoelectrónico moderno. Los SASDs tienen como propósitoproteger dichos dispositivos. Los supresores de transitoriosfabricados con SASDs no están afectados por limitacionesde voltaje de protección ni problemas de fuga térmica. Lasventajas asociadas con la utilización de SASDs en losdispositivos de supresión en comparación con otrastecnologías de supresión son numerosas.

Los SASDs responden rápidamente a las sobretensionestransitorias. En otras palabras, se activan más rápido quelos MOVs. Las sobretensiones transitorias estáncaracterizadas por su tiempo de subida muy rápido. Unsupresor de calidad debe responder lo suficientementerápido como para evitar que las sobretensiones transitoriaslleguen a un posible voltaje lo suficientemente alto comopara degradar a los componentes electrónicos, interrumpirla operación del equipo, o dañar a las cargas críticas. LosSASDs responderán, en teoría, a la actividad transitoria enpicosegundos (un trillonésimo de un segundo). Sin embargo,no hay ninguna manera física de medir estos tiempos derespuesta, y llegarán a niveles de nanosegundos (unbillonésimo de un segundo) por la inductancia introducidaen el circuito de supresión con los terminales de loscomponentes, empalmes de soldadura, etc. Tomando encuenta estas consideraciones, se puede esperarrazonablemente que un supresor de transitorios fabricadocon SASDs mostrará un tiempo de respuesta “dentro delcircuito” de 5 nanosegundos o menos. En comparación, losdispositivos de MOVs también son relativamente rápidos alresponder a las sobretensiones transitorias, pero en realidadsu tiempo de respuesta “dentro del circuito” baja a los nivelesde 35 a 50 nanosegundos.

Un supresor de transitorios debe ser diseñado para suprimirtan cerca como sea posible al valor de voltaje pico de la ondasenoidal de CA, aún cuando disipa niveles extremadamentealtos de energía transitoria. Aquí se ve una de las desventajasasociadas con los productos de supresión fabricados conSASDs. Los diodos individualmente no pueden disipar muchaenergía. Un supresor de SASD diseñado correctamente tieneque incorporar muchos diodos para realizar sus funciones

de supresión sin que se autosacrifique en el proceso. Elsupresor que resulta llega a ser físicamente de tamañomayor y por lo general es más costoso que el supresorhecho con MOVs. La coordinación de la conducciónsimultánea de los circuitos de SASDs no está sujeta alas mismas dificultades que son presentes en losdiseños de MOVs. Las líneas de productos de supresiónfabricadas con SASDs no tienen ninguna dificultad enmantener un nivel de voltaje de protección estable encualquier ubicación a través del sistema de potencia deCA mientras conducen valores máximos de corriente.

También es importante señalar que los fabricantes desupresores sin diodos por lo general limitan las pruebasde sus productos a impulsos de corriente de cortaduración, 8/20µs, utilizados para simular aquellosimpulsos generados por rayos. Con frecuencia nosometen sus dispositivos a pruebas con impulsos deonda larga, 10/1000µs, los cuales el supresor tendráque suprimir día con día fuera del laboratorio. Una razónpara evadir los impulsos de prueba de alta energía esque pueden dañar a los productos de supresión sindiodos, antes de haber llegado a los consumidores quelos compran.

Los productos fabricados con SASDs no se degradancon el uso ni a través del tiempo. Mientras no se excedansus capacidades de disipación de energía, funcionaránpara siempre. Los supresores de SASD de calidad nodeben ser diseñados para autosacrificarse durante unevento típico de sobretensión transitoria. Un supresorde transitorios de buena calidad hecho con SASDs debeincorporar suficientes diodos como para manejar lascorrientes transitorias a las cuales estará sometido bajocondiciones transitorias tanto normales como extremas.

Algunos fabricantes de supresores producendispositivos que utilizan tanto SASDs como MOVs ensus diseños híbridos. Esto es un intento de aprovecharlas ventajas de las características de desempeñopositivas, y eliminar las desventajas negativas asociadascon las tecnologías individuales de supresión. Porejemplo, los circuitos de SASDs pueden ser utilizadospara aprovechar los tiempos de respuesta superiores ynivel de voltaje de protección estable, y las etapas deMOVs se incluyen para manejar los requerimientos dedisipación de alta energía. Estos diseños por lo generalutilizan menos SASDs en comparación con productostotalmente de SASDs. Este parámetro de diseñofrecuentemente se realiza para el propósito de sacarmayor rendimiento económico relativo al diseño conpuros SASDs. Sin embargo, debido a las característicasoperacionales tan distintas de las dos tecnologíasdistintas, estos parámetros de desempeño de diseñoshíbridos no cumplen con sus objetivos deseados. Lasetapas de los MOVs no pueden ser coordinadas paraconducir confiablemente en conjunto con las etapas de

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Sobretensión de Transitorios(Definición y Explicación)

los SASDs. Las mismas razones mencionadas enreferencia a la coordinación simultánea de conducciónentre los componentes individuales de MOVs explicanpor que. Con frecuencia, resulta una falla prematuradel supresor de las etapas de SASDs porquesimplemente no incorporan suficientes diodos paradisipar niveles adecuados de energía transitoria. Lasetapas de los MOVs continúan funcionando pero siguensiendo afectadas por las mismas deficiencias de losproductos con puros MOVs. Los supresores detransitorios diseñados correctamente utilizando 100%SASDs como su única tecnología de supresión, evitanla necesidad de diseños híbridos.

voltaje total de 319.68 será pasado al equipo de carga eneste ejemplo. Los sobrevoltajes de estos niveles puedeninterrumpir la operación del equipo sensible. Por otrolado, el mismo transitorio de 150Vp que ocurre en el puntode cruce del eje cero de la onda senoidal sujeta a losdispositivos de carga a un valor de voltaje instantáneo nodañino de solo 150V, el cual está contenido adentro delnivel aceptable de voltaje de la onda senoidal de CA.

Numerosos estudios realizados durante los últimos25 años han identificado la actividad transitoria comola anomalía de potencia de CA más común en causarinterrupción o daños a las cargas electrónicas críticas.G.W. Allen y D. Segall de la División de Desarrollo deSistemas de IBM realizaron uno de los estudios másrespetados. Monitorearon la potencia de CA de 200sitios donde había equipo de IBM instalado y operando,en 25 ciudades a través de los Estados Unidos.Registraron el número de anomalías de potencia deCA que interrumpieron la operación del equipo duranteun periodo de dos años. Presentaron sus resultadosal IEEE/PES en enero de 1974. Su estudio fueresumido en el Documento de Conferencia #C 74-1996del IEEE. Aunque este estudio es muy antiguo, todavíasirve como una buena referencia ya que fue muymeticuloso y porque fue realizado por profesionalesque trabajan independiente a la industria detratamiento de potencia de CA.

Allen y Segall agruparon a la actividad transitoria en doscategorías. Los picos de voltaje (transitorios de impulso)eran aquellos inducidos por la actividad atmosférica. Estaanomalía está caracterizada por niveles de voltaje ycorriente muy altos, y de corta duración. La otra categoría,los transitorios de decaimiento oscilatorio, son aquellosgenerados por los ciclos de potencia de las cargasinductivas, las actividades de conmutación de rejilla de lacentral eléctrica, la corrección del factor de potencia, ypor numerosas fuentes internas del sitio.

Algunas fuentes internas de sobrevoltajestransitorios son los estabilizadores electrónicos delámparas fluorescentes, el aire acondicionado, los

La definición de un sobretensión de transitorios se refierea la respuesta de los capacitores o inductores a cambiosrápidos de voltaje o corriente. Un cambio rápido de voltajea través de un capacitor produce una ampliasobrecorriente. El nivel de corriente depende del tamañodel capacitor y de la velocidad del cambio de voltaje. Seutiliza la siguiente fórmula para calcular las corrientestransitorias asociadas con los circuitos capacitivos.

I = C dv/dt

A medida que el tiempo (dt) disminuye, la amplitud de lacorriente (I) incrementa.

La misma relación básica también es aplicable para uninductor. Con este, un cambio rápido de corriente resultaen un sobrevoltaje transitorio muy amplio, como se puedever con la siguiente fórmula.

-V = L di/dt

Al analizar los efectos dañinos de los transitorios, se debesaber en que parte el transitorio fue inducido sobre la ondasenoidal de CA. Los valores de los voltajes transitorios seagregan a los voltajes instantáneos de la onda senoidal.Los dispositivos de carga en el circuito de potencia de CAse someten momentáneamente a dicho valor total desobrevoltaje. En algunos casos un transitorio inducidosobre el punto de cruce del eje cero no será perjudicial,mientras que el mismo transitorio inducido sobre el picode la onda senoidal puede ser muy dañino. Por ejemplo,el valor pico de una onda senoidal de 120 VRMS es 169.68voltios. Un transitorio que mide 150 voltios inducido sobreel pico de dicha onda senoidal agregará 150 voltios al valorpico de la onda senoidal de 169.68. Por consiguiente, un

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¿Por Qué las Redes de Filtrosno Pueden ProporcionarProtección Adecuada Contrala Actividad Transitoria?

Las características operacionales de los filtrosdependen de la frecuencia. Son diseñados paraatenuar voltajes de “ruido” que ocurren dentro deuna banda de intervalos repetitivos de frecuencia aamplitudes de voltaje y corriente relativamente bajas.No pueden proteger adecuadamente a las cargaselectrónicas críticas contra los sobrevoltajestransitorios inducidos por rayos, ni por aquellosgenerados por fuentes no atmosféricas.

La definición de “ruido,” referente a un sistema dedistribución de potencia de CA, es: “una señal de bajovoltaje y baja corriente caracterizada por un patrón defrecuencia repetitiva que viaja sobre la onda senoidalde 60 Hz.” Típicamente mide menos de 50 voltios/pico ysus valores de corriente por lo general no se extiendenmás allá de los miliamperios.

Un filtro ideal utilizado en las líneas de potencia de CA,tendría la habilidad de atenuar todos los voltajes de ruidopor encima y debajo de la frecuencia fundamental de60 Hz, desde CD (corriente directa) hasta frecuenciasde luz. Desgraciadamente, es poco práctico diseñar unfiltro que cumpla con dicha especificación. En realidad,todos los diseños de filtros proporcionarán atenuaciónmáxima a una frecuencia especificada y entregaránniveles menores de atenuación para las frecuencias deruido por encima y debajo de esa frecuencia “central.”

Los fabricantes de filtros pueden diseñar sus productospara proporcionar atenuación máxima a una forma deonda de prueba específica, para así justificar susproductos como supresores de transitorios. En estoscasos, las redes de filtros pueden estar diseñadas paraproporcionar atenuación máxima a un Ring Wave de0.5µs-100kHz, o a una forma de onda de 1.2/50µs, asícomo a un impulso de corriente de 8/20µs, los cualesestán utilizados por la industria de supresión comoparámetros de prueba.

El Ring Wave de 0.5µs-100kHz se define en el IEEEC62.41-1991 (IEEE Recommended Practice on SurgeVoltages in Low-Voltage AC Power Circuits). Esutilizado para someter a pruebas a los productos desupresión que son destinados a proteger en tomasde corriente eléctrica.

arrancadores de hornos, los centros de control demotores, y las copiadoras, entre otras. Se difieren de lostransitorios inducidos por rayos en que típicamente sonimpulsos de voltaje y corriente de menor valor, que duranhasta 50 veces más tiempo. Una gráfica que resume losresultados de este estudio se encuentra a continuación:

El estudio de Allen-Segall concluye que el 88.5% de losproblemas de CA se relacionan con los transitorios.

Allen y Segall encontraron que los problemas de potenciamás perjudiciales son los transitorios de decaimientooscilatorio, los cuales ocurrieron 62.6 veces por mes yrepresentan 49% del número total de las anomalías depotencia de CA. Estos son ejemplos de transitorios de largaduración no atmosféricos.

Los picos de voltaje inducidos por rayos, o transitoriosde impulso, ocurrieron 50.7 veces por mes,representando 39.5% del número total de los problemasde potencia de CA.

A diferencia, los apagones de potencia contaron por solo.5% de los trastornos del equipo mientras que las subidas ycaídas temporales de voltaje fueron responsables por otro11% de los problemas de potencia de CA.

Los sistemas de distribución eléctrica no han cambiadoimportantemente desde los años setenta, mientras que elequipo eléctrico y electrónico ha llegado a ser mucho mássofisticado. Ahora, los apagones de potencia están llegandoa ser menos frecuentes mientras que la distorsión armónicaha llegado a ser una gran preocupación para los usuariosdel equipo. La actividad transitoria también ha llegado a seruna amenaza cada vez mayor para los dispositivos de cargaseléctricas y electrónicas de punta.

Un supresor de transitorios de buena calidad limita laamplitud de los sobrevoltajes transitorios en todo momento,sin importar sus puntos de origen, a niveles que no sonperjudiciales a las cargas eléctricas y electrónicas.

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Las formas de onda de 1.2/50µs y 8/20µs también sedefinen en el IEEE C62.41-1991. Constituyen la OndaCombinada Estándar de 1.2/50µs-8/20µs del IEEE,utilizada para someter a pruebas a los supresoresdestinados a proteger en tableros de distribuciónprincipales y secundarios. La forma de onda 1.2/50µses un impulso de voltaje en circuito abierto que llega asu valor pico en 1.2µs y se disminuye al 50% del valorde voltaje pico después de 50µs. Para someter apruebas a un supresor de transitorios de la forma másadecuada, inicialmente el dispositivo debe estarprobado con dicha forma de onda de voltaje, perotambién se debe someter a pruebas con la forma deonda de corriente asociada, la de 8/20µs.

Para determinar adecuadamente como va a funcionar unproducto de supresión en aplicaciones del “mundo real”(o sea fuera del laboratorio) debe estar sometido a pruebascon impulsos de 10/1000µs. Los parámetros de la formade onda de larga duración también se encuentran dentrode IEEE C62.41-1991. Dicha forma de onda se puedeutilizar como una “prueba de fatiga” para determinar eldesempeño de los supresores bajo el peor de los casos.La mayoría de los fabricantes de filtros/supresores nosometen sus dispositivos a pruebas con este impulso largoy sus productos no tienen un buen desempeño cuandoestán sometidos a dicha prueba de fatiga de larga duración.

Un filtro no puede proporcionar protección adecuadacontra la actividad transitoria. Esto es debido a que lostransitorios difieren del ruido en que son impulsos de altovoltaje y alta corriente que no dependen de la frecuencia.La definición de un “transitorio” es: “un incrementorepentino, o incrementos repentinos, de energía al azar,que duran menos de medio ciclo de la entrada de CA, loscuales están inducidos sobre cualquier porción de la ondasenoidal de CA.” Demuestran tiempos de subida muyrápidos. Pueden llegar a su amplitud máxima de voltajeen un (1) microsegundo, y típicamente no demuestranningún patrón identificable de frecuencia repetitiva.

Los transitorios inducidos por rayos se caracterizan porformas de onda de muy corta duración. Sin embargo, lamayoría de los transitorios surgen de otras fuentes. Lossobrevoltajes transitorios resultan de las actividades deconmutación de red de la central eléctrica, acciones decorrección de factor de potencia, y de los ciclos de potenciade cargas inductivas. La mayoría de los sobrevoltajestransitorios que no son inducidos por rayos demuestranduraciones mucho más largas, hasta de un milisegundocompleto o más. Por consiguiente, los sobrevoltajestransitorios pueden presentar elementos de frecuenciatanto altos como bajos. Los sobrevoltajes inducidos porrayos demuestran componentes de frecuencia más altosque aquellos generados por las actividades no atmosféricas.

Un filtro destinado a proteger contra transitorios de largay corta duración tendría que ser capaz de proporcionar

atenuación máxima para todas las frecuencias que caenadentro de los niveles de kilohertz hasta megahertz.

Tome por ejemplo las frecuencias correspondientes a lasformas de onda de prueba de los supresores previamentemencionadas, que simulan las características desobrevoltajes transitorios. La frecuencia del Ring Wavede 100kHz es evidente por sí misma. Sin embargo, larepetición de los impulsos de 1.2/50µs, 8/20µs ó 10/1000ms correspondería a patrones de frecuencia de20kHz, 50kHz, y 1kHz. Si un filtro intenta mantener 50kHzcomo su frecuencia central, como se hace comúnmente,entonces proporcionará niveles de atenuación más bajospara los impulsos de frecuencia de 1kHz y de 100kHz.Los filtros por lo general anuncian una atenuación muybaja para las frecuencias que caen abajo de un puntoinicial de 5kHz.

Las líneas de potencia y sistemas de distribución de CAtienen la tendencia de atenuar naturalmente loselementos de sobrevoltajes de frecuencias mayores,mientras dejan pasar a los componentes de sobrevoltajesde duración más larga. Un pico de sobrecorriente de 8/20µs (50kHz) está compuesto de componentes de altafrecuencia que se reducen a medida que el transitorioviaja sobre el sistema de distribución. Solamente unafracción de la sobrecorriente transitoria original se quedaa medida que dicha sobrecorriente se propaga a travésdel circuito de potencia. A diferencia, la forma de ondamás común de 10/1000µs (1kHz) retiene mucha másenergía debido al menor efecto que tiene la atenuaciónde línea sobre la energía transitoria de frecuencia másbaja. Un filtro típico se diseña para atenuar los impulsosde 50kHz, cuando es igual de importante o hasta másimportante, que proteja contra impulsos de 1kHz. Aunquelos filtros no pueden lograr esto, un supresor que utilizacomponentes de “fijación” sí puede.

Los sobrevoltajes transitorios pueden tener un altocontenido de energía. Esta energía excesiva puede“saturar” a los elementos de filtros, así cambiando suscaracterísticas operacionales y proporcionando nivelesdramáticamente reducidos de atenuación sobre laduración entera del sobrevoltaje transitorio.

Los productos de supresión deben utilizar componentesde “fijación” en su diseño para proteger adecuadamenteal equipo electrónico contra los sobrevoltajes transitorios.Dichos componentes de “fijación” se conectan en paralelocon la fuente de potencia de CA y son destinados a desviarlos voltajes excesivos lejos de los dispositivos protegidos.No deben cargar al circuito de CA ni distorsionar la ondasenoidal de CA a medida que realizan su función deseada.Los elementos de filtro contenidos dentro de cualquierproducto de supresión pueden ser contraproducentes yaque pueden introducir algunos de los problemasmencionados, en el circuito de potencia de CA.

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¿Qué Tan Confiables Son LasClasificaciones de AltaCapacidad de Supresión deSobrecorriente?Algunas especificaciones de productos de supresión afirmancapacidades muy altas de supresión de sobrecorriente, hasta300,000 amperios o más. Estas cifras parecen ser muyimpresionantes. Sin embargo, una inspección más a fondorevela que ésta práctica no es confiable ni en el mejor de loscasos, y con frecuencia sin sentido. La mayoría de lossupresores de transitorios utilizan Varistores de Óxido deMetal (MOVs) como sus componentes de supresión. Confrecuencia El MOV individual es evaluado con clasificacionesbastante altas de “sobrecorriente pico”. Si un supresor utilizamúltiples MOVs, como es el caso con la mayoría de losdiseños de supresores compuestos de MOVs, los fabricantesfrecuentemente suman las clasificaciones de corriente detodos los componentes individuales para afirmar muy altase impresionantes capacidades de supresión.

Típicamente un MOV de 20mm puede estipular unaclasificación de sobrecorriente pico de 6,500 amperios comouna de sus características de desempeño. Dicha clasificaciónserá basada en una sola forma de onda de corrientetransitoria de corta duración y de cortocircuito, la de 8/20microsegundos, que frecuentemente se utiliza para simularun impulso de corriente inducido por rayos. La gráfica acontinuación, tomada del libro de datos de un fabricante deMOVs, demuestra las tolerancias de desempeño de un MOVde 20mm bajo sobrecorrientes de corta y larga duración devalores variables.

Note la probabilidad de que el MOV falle a medida queconduce valores mayores de corriente. Como demuestra lagráfica, este MOV puede resistir mil pulsos de corriente de500 amperios (8/20 microsegundos). Sin embargo, solopuede tolerar una sola sobrecorriente de 6,500 amperios(8/20 microsegundos). La vida esperada del MOV tambiéndisminuye dramáticamente cuando está sometido a formasde onda de sobrecorriente de duración más larga.Adicionalmente se puede notar que dicho MOV no tendrá elmismo desempeño a medida que suprime éstas formas deonda de corriente de duración más larga. Nuevamente enreferencia a la gráfica, se puede ver que se espera una falladel MOV después de suprimir solo un impulso desobrecorriente de 100 a 200 amperios que dura unmilisegundo completo. Las sobrecorrientes transitorias delarga duración son inducidas sobre los circuitos de potenciade CA por las actividades de conmutación de red de lascentrales eléctricas, por los ciclos de potencia de cargasinductivas y por muchas otras fuentes dentro de los edificios

y las instalaciones. Este tipo de actividad transitoriaes mucho más común en el “mundo real” (o sea fueradel laboratorio), como se documenta en el IEEE WM85-243-1. Cualquier supresor, sin importar quien lofabrique, tendrá que suprimir estas corrientestransitorias de larga duración con más frecuenciaque cualquier otro tipo de actividad transitoria.

Un supresor de transitorios que utiliza seis MOVs unidosen paralelo el uno al otro puede afirmar una capacidadtotal de sobrecorriente de más de 30,000 amperios. Estaconfiguración se demuestra con la gráfica al lado.

El fabricante pretende justificar ese valor alto decorriente simplemente con la multiplicación de losvalores de clasificación de corriente de los componentesindividuales por el número de MOVs utilizados en elsupresor. Sin embargo, engaña al usuario del supresorya que no todos los MOVs conducen la corrientesimultáneamente. La coordinación de la activación yconducción de cada componente individual llega a serimposible debido a factores de fatiga y degradación.

En otro ejemplo, un supresor básico puede estarconstruido con tres (3) componentes de MOVs. Un MOVpuede estar entre los conductores Fase y Neutro, otroentre los conductores Fase y Tierra, y un MOV más entrelos conductores Neutro y Tierra. Ya que se utilizan tres(3) MOVs, cada uno con una clasificación de corriente

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de 6,500 amperios, el fabricante del supresor puedeafirmar una capacidad total de corriente del supresorque se acerca a 20,000 amperios. Sin embargo los trescomponentes nunca conducirán la corrientesimultáneamente. De hecho, el MOV entre Neutro yTierra nunca debería activarse. Por consiguiente, estaafirmación de capacidad total de corriente es engañosaen el mejor de los casos, y en el peor de los casosextremadamente falsa.

El supresor seleccionado para proteger en un puntoespecífico sobre un sistema de distribución eléctrica debeestar dimensionado apropiadamente para su ubicaciónfísica. En otras palabras, se deben utilizar productos quedisipan mayor energía en los puntos principales dedistribución en comparación con los tableros secundarioso en las tomas eléctricas. El IEEE C62.41-1991 es aceptadocomo una norma de la industria de las formas de onda deprueba para corrientes y voltajes transitorios, para sometera pruebas a los dispositivos de protección contratransitorios en varias ubicaciones físicas a través de unsistema de distribución eléctrica. Esta norma especificaque el equipo de supresión de transitorios utilizado paraproteger en ubicaciones de tableros secundarios o tablerosprincipales de “exposición baja” dentro de una instalación,rara vez necesita ser diseñado para suprimir más de 3,000amperios de corriente transitoria. En adición, especificaque un supresor de calidad solo tendrá que suprimir de5,000 a 10,000 amperios de sobrecorriente cuando protegeen ubicaciones de exposición mediana y alta. Porconsiguiente, no existe la necesidad de productos desupresión de transitorios capaces de suprimirsobrecorrientes más allá de estos niveles.

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