protección contra sobretensiones

Instalaciones Eléctricas

UNIVERSIDAD DE LA REPÚBLICA

FACULTAD DE INGENIERÍA

Protección contra sobretensiones

Curso Instalaciones Eléctricas


Objetivos

• Considerar la protección contra sobretensiones como un factor importante a la hora de proyectar una instalación eléctrica.

• Conocer los efectos que pueden generar las sobretensiones en una instalaciones eléctrica, en los equipos y en la personas.

• Conocer los tipos de sobretensiones más importantes

• Conocer los tipos de protecciones contra sobretensiones transitorias y sus características.

• Conocer los parámetros que definen a los descargadores y entender los criterios que seconsidera para proteger contras sobretensiones transitoria una instalación.

• Conocer las recomendaciones de coordinación y su correcta instalación dentro de un tablero eléctrico.


• Sobretensiones temporales (UTOV) :

Sobretensión de servicio de una duración de algunos segundos en un lugar determinado. Puede ser causado por una falta en la instalación de baja tensión o en la de media tensión. IEC 61643-12 (3.1.8)

• Sobretensiones transitorias:

Una sobretensión transitoria es una onda o impulso de tensión que se superpone a la tensión nominal de la red, produciendo un gran aumento del valor eficaz de la tensión de la línea durante un período de tiempo muy corto (del orden de μs).

Sobretensiones según la norma IEC 61643


• Las sobretensiones temporarias pueden ser provocadas por fallas en el sistema de baja tensión UTOV (LV) o por fallas en le sistema de media tensión UTOV (HV).

• En baja tensión (LV) depende del sistema de conexión a tierra (IT, TN o TT). Dos casos son:

– En el sistema TT y TNS, el corte del neutro con el resto de las fases con tensión. En cargas monofásica pueden quedar bajo la tensión de línea.

– En el sistema IT, en el que durante una falla a tierra, la sobretensión entre las fases sanas y tierra es igual a la tensión de línea.

• En media tensión depende de la vinculación entre la toma de tierra de las masas de media tensión y la toma de tierra del neutro de la instalación de baja tensión.

Sobretensiones temporales

Causas muy frecuente sobretensiones temporalesPérdida de neutro en sistema 3F+N

UL12

Sobretensión temporal UTOV

• UTOV (LV) por un defecto en baja tensión

• UTOV (HV) por un defecto en Alta/Media tensión

Valores según norma IEC 60634-4-44 (Valores máximos)

Soluciones contra las sobretensiones temporalesBobina de sobretensión (accesorio de los interruptores)

▪ Detecta la sobretensión y desconecta el circuito gracias a un interruptor automático o diferencial asociado.

+

Soluciones contra las sobretensiones temporalesRelé de sobretensión y bobina de disparo interruptor

▪ Detecta la sobretensión y pega un contacto seco auxiliar para poder energizar una bobina de apertura de un interruptor en caja moldeada o de un interruptor Riel Din

+Riel Din

Caja Moldeada

Sobretensiones transitorias


• De origen atmosférico => Rayos (descargas atmosféricas)

• De maniobra en la red => Conmutaciones en la red MT/BT

• Perturbaciones por el funcionamiento de equipos conectados en BT

Tipos

Menos potentespero muy frecuentes

Tipos de sobretensionesTiempos y niveles de tensión

Sobretensión de

origen atmosférico

Sobretensión

de maniobra

230V 50 Hz

Sobretensión transitoria Sobretensión temporal (permanente)

8.000 V durante 140 µs 460 V durante 10 s

Sobretensiones transitoriasManiobra

• Las sobretensiones de maniobra están causadas principalmente por conmutaciones de potencia en las líneas de red, accionamiento de motores, dispositivos de mando, etc.

• Son las mas habituales (el 75% de las sobretensiones transitorias). La sobretensión no es muy elevada, de manera que produce en la mayoría de los receptores un envejecimiento prematuro o un mal funcionamiento.

Sobretensiones transitoriasManiobra

• Sobretensiones debidas al funcionamiento de equipos apertura y cierre de (sobretensiones frecuentes):

– Variadores de frecuencia (armónicos)

– Motores

– Transformadores

– Banco de capacitores

• Sus consecuencias en equipos sensibles, aunque no sean visibles generan un envejecimiento prematuro o averías impredecibles o transitorias.

Sobretensiones transitoriasComparación con las descargas atmosféricas – mayor energía

▪ A – Armónicos ▪ B – Micro interrupciones▪ C – Sobretensiones por maniobras

▪ D – Descargas atmosféricas indirectas▪ E – Descargas atmosféricas directas

Sobretensiones transitoriasDescargas atmosféricas

Caída de rayos en Dubai (Enero 2009)

Descargas atmosféricasFrecuencia de caída de los rayos (Nk)

• La actividad eléctrica de la atmósfera en una zona se

caracteriza tradicionalmente por el llamado índice ceráunico

(TD): es el número de días al año en que en algún momento se

escuchó un trueno (números de días de tormenta por año).

Ng = 0,1 x TD

Ng es la densidad de rayos por año y por km2 y de esta forma

aproximada se puede estimar (0,1)

Causas de las principales sobretensiones transitorias

• En Uruguay:

Nk = 30 Tormentas/(año.km2)

Ng = 3 Rayos/(año.km2) Es un valor estimado mínimo.

Mapa Isoceráunico Cono Sur (Ng)

Sobretensiones transitoriasDescargas atmosféricas

• Las descargas atmosféricas son un poderoso fenómeno natural. Un Rayo puede alcanzar una potencia de varios cientos gigavatios y puede tener un efecto destructivo en los sistemas eléctricos ubicados a kilómetros de distancia del punto donde cae el rayo.

• Los daños causados por rayos directos son generalmente graves, con grandes consecuencias económicas y daños a las personas. Como ejemplo, los tableros eléctricos pueden incendiarse y causar daños en los equipos industriales e incluso el edificio.

• La única forma de evitar esto es la instalación de un sistema de protección contra descargas atmosféricas, colocación de pararrayos que conduzcan la descarga directamente a Tierra.

Sobretensiones transitoriasCaptores (puntos de impacto – Pararrayos)

• El propósito de la protección contra descargas atmosféricas es evitar los daños que puede producir el impacto directo de un rayo local o remoto a personas, estructuras, valores y a la continuidad de servicios.

• La protección contra un impacto directo se logra mediante dispositivos y sistemas que conduzcan a tierra la corriente del rayo directo en forma controlada.

• La primera fase de la acción de protección contra el impacto del rayo directo la constituye el elemento del sistema de protección destinado a recibirlo o captarlo (Pararrayos) y conducirlo a tierra.

• La segunda fase es, siempre hay que agregar dispositivos para proteger contra sobretensiones transitorias que se generan por el impacto del rayos en el sistema de protección contra descargas.

Sobretensiones transitoriasCaptores (puntos de impacto – Pararrayos)

• Llamamos Captor/Pararrayos al dispositivo o elemento que se destina específicamente a recibir el impacto del rayo en la zona donde está la estructura o sistema que necesitamos proteger.

• Debe ser capaz de recibir el impacto sin daños que alteren su función después del impacto, de conducir la descarga a una toma de tierra y de ofrecer un punto de impacto preferencial frente al resto de la estructura o sistema, que consideramos vulnerable.

• El sistema de captor y descarga propuesto por Benjamín Franklin, con el conductor de bajada y su puesta a tierra - básicamente es el sistema más usado y ha probado su efectividad durante más de 250 años.

• Punta Franklin

Sobretensiones transitoriasAmplitud y frecuencia de los rayos

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Fre

cu

en

cia

ac

um

ula

da

Amplitud de rayos (kA)

40% de los rayos son superiores a los 20kA (o 60% son inferiores a los 20kA)

5% de los rayos son superiores a los 60kA (o 95% son inferiores a los 60kA)

0.5 % de los rayos son superiores a los 200kA

Datos de SMN.

Sobretensiones transitoriasDispositivos de protección SPD Tipo I

• Impacto directo:

– Rayo sobre el sistema de protección contra rayos (Pararrayos) o elementos conductores externos (antenas, torre metálica, caños metálicos, etc)

– Rayo sobre el cableado aéreo de alimentación que habitualmente viene de la rede de distribución

Sobretensiones transitoriasDispositivos de protección SPD Tipo II

• Impacto indirecto

Acoplamiento inductivo:Campos electromagnéticos

Acoplamiento galvánico: Gradiente de potential debido a

la Resistencia del suelo

Impacto sobre una línea de distribución a más de 500m

Sobretensiones transitoriasOndas de simulación ensayadas en el laboratorio

10/350

1,2/50

8/20 en Amperios

en Amperios

en Voltios

tiempo

Val

or

Sobretensiones transitoriasOnda 10/350 – Descargador SPD Tipo I

(s)

Iimp

90%

10s tiempo

Val

or

50%

350s

10%


• La onda 10/350 se utiliza en los laboratorios para simular el impacto directo de rayo en la instalación…

• …o el impacto sobre una líneaaérea que alimente la instalación

(también se considera impacto directo).

Onda 10/350 (Tipo I) – Impacto directo de rayo

Sobretensiones transitoriasOnda 10/350 – Impacto directo de rayo

Sobretensiones transitoriasOnda 8/20 – Descargador SPD Tipo II

(s)

90%

8stiempo

Val

or

50%

20s

Iimp

10%


• La onda 8/20 se utiliza en los laboratorios para simular un impacto indirecto de rayo, es decir, un impacto de un rayo en una zona relativamente cercana a la instalación...

• …o el impacto indirecto cerca de una línea aérea que alimente la instalación.

Onda 8/20 (Tipo II)– Impacto indirecto de rayo

Sobretensiones transitoriasEjemplo ondas 8/20 y 10/350 con una Iimp de 25 kA

25 kA

(s)tiempo

Val

or

25 KA en 10/350

25 KA en 8/20

Sobretensiones transitoriasImpactos directos – Impacto sobre línea aérea MT

...propagación de la onda a través del transformador…

…la onda entra en el edificio…

…propagación por la red…

Impacto en la red aérea de Media Tensión…

Red de tierras

▪ Poder de destrucción bajo

Sobretensiones transitoriasImpactos directos – Impacto sobre línea aérea BT

…la onda entra en el edificio…

…propagación por toda la red…

Impacto en la red aérea de Baja Tensión…

Red de tierras

▪ Poder de destrucción medio

Sobretensiones transitoriasImpactos directos – Impacto sobre el edificio

Impacto sobre el pararrayos del edificio...

Red de tierras

▪ Poder de destrucción alto

…propagación a través de la red equipotencial del pararrayos…

…entrada en la instalación…


• Las maniobras en la red, tales como conmutaciones de dispositivos de maniobra, pueden originar también sobretensiones transitorias.

Dispositivos de protección SPD Tipo II (8/20us)

Sobretensión transitoria = 3.654V


• Si ampliamos la imagen…


Sobretensión transitoria = 3.654V


• Si ampliamos la imagen…



• Destrucción de los equipos

• Envejecimiento prematuro

• Mal funcionamiento

Efectos sobre la instalación

Sobretensiones transitoriasCausantes de daños

Sobretensiones: 61 %

(descargas atmosféricas y maniobras de equipos)

Defecto de la red: 15 %

(Sobretensiones temporales en 50 Hz)

Cortocircuitos: 6 %

Otras causas: 6 %

(daños, fuegos, etc..)

No identificado: 12 %

Daños de equipos electrónicos para el segmento residencial.

AVIVA Company, Francia.

Protectores contra sobretensiones transitorias

• DPS = Dispositivo de Protección contra Sobretensiones = “descargadores”

• Objetivo de la protección:Los protectores contra sobretensiones o descargadores permiten limitar las sobretensiones transitorias que circulan a través de la red, a valores tolerados por los equipos conectados.

• Parámetros de la protección: Los parámetros determinantes de los protectores resultan de su capacidad para desviar la sobrecarga de corriente hacia tierra (para disipar el máximo de energía) y limitar la tensión al nivel más bajo posible.

• Los protectores contra sobretensiones han de estar seleccionados según los sistemas de distribución. (TT, TNS, IT)

Dispositivos de protección SPD – Surge Protection Device


• Despejar la sobretensión fuera de la instalación, conduciendo la corriente de impulso (kA) a la instalación de tierras a través de una impedancia muy baja.

• Cuando circula esta corriente de impulso (kA) en la instalación, ¿cómo responden los interruptores automáticos? ¿Con que propósito?

• ¿Cómo operan los SPD?

Dispositivos de protección SPD – “descargadores”

Dispositivos de protección SPDj

• Los SPD deben ser muy rápidos frente una descarga!! y evitar que se dañen los equipos alimentados por la instalación, por una sobretensión.

• Una descarga puede durar entre 30 - 350 µs

– Un interruptor actúa entre 5 - 60ms

– Un SPD actúa antes de 100ns

• Algunos factores para comparar:

– Al ojo humano le toma 50 – 80 ms parpadear

– Las alas de una le toma 5 ms para aletear.

¿Cuál es su propósito?

© ABB Group

October 29, 2020 | Slide 44

• En situación normal, el sistema estafuncionando con el flujo correcto

Si el flujo crece puede dañar los equiposEl SPD controla el flujo para respetar niveles que soportan los equipos sin dañarse.

Dispositivos de protección SPD¿Cómo operan?


• Sin protector

• Con protector

¿Cuál es su función?


• Es la tensión en bornes del protector al descargar la corriente nominal (In o Iimp)

• En el gráfico, ante una sobretensión de 3750 V, el protector consigue reducirla hasta un tensión residual Up de 1000 V.

¿Qué es la tensión residual (Up) de un protector?

Up

Categorías de sobretensiones

• Distingue 4 categorías diferentes según el nivel de tensión soportado :

TENSIÓN NOMINAL TENSIÓN SOPORTADA A IMPULSOS 1,2/50 (KV)

SISTEMASTRIFÁSIC.

SISTEMAS MONOFÁS.

CATEGORÍA IV CATEGORÍA III CATEGORÍA II CATEGORÍA I

230 /400V 230V 6 kV 4 kV 2,5 kV 1,5 kV

400/690 V1.000V

- 8 kV 6 kV 4 kV 2,5 kV


• DPS = Dispositivo de Protección contra Sobretensiones = “descargadores”

• Objetivo de la protección:Los protectores contra sobretensiones o descargadores permiten limitar las sobretensiones transitorias que circulan a través de la red, a valores tolerados por los equipos conectados.

• Parámetros de la protección: Los parámetros determinantes de los protectores resultan de su capacidad para desviar la sobrecarga de corriente hacia tierra (para disipar el máximo de energía) y limitar la tensión al nivel más bajo posible.

• Los protectores contra sobretensiones han de estar seleccionados según los sistemas de distribución. (TT, TNS, IT)

Dispositivos de protección SPD – Surge Protection Device

Selección del protector contra sobretensionesParámetros de los descargadores

Onda 1.2/50: Forma de onda estándar de sobretensión generada en redes, y que se suma a la tensión de red.

Onda 8/20: Forma de onda de corriente que fluye a través de equipos cuando éstos están bajo los efectos de una sobretensión. (baja energía)

Onda10/350: Forma de onda de corriente que fluye a través de equipos cuando éstos están bajo los efectos de una sobretensión producida por la descarga directa de un rayo.


Dispositivo protector contra sobretensiones de Tipo I: Protector contra

sobretensiones diseñado para reducir la energía provocada por una sobretensión

comparable a la producida por una descarga directa de un rayo. Ha pasado con

éxito las pruebas estándar con la Onda 10/350 ( test clase I)

Dispositivo protector contra sobretensiones de Tipo II: Protector contra

sobretensiones diseñado para reducir la energía provocada por una sobretensión

comparable a la producida por una descarga indirecta de un rayo o una

sobretensión por maniobras en la red o de funcionamiento. Ha pasado con éxito

las pruebas estándar con la Onda 8/20 (test clase II)

Selección del protector contra sobretensionesParámetros de los descargadores – IEC 61643-11

Uc – Tensión máxima de servicio: Tensión eficaz máxima que puede

aplicarse de forma continua a un dispositivo de protección contra sobretensiones.

Ut – Resistencia a la sobretensión temporal TOV: Sobretensión temporal

eficaz máxima que el protector puede resistir y que sobrepasa la tensión máxima

de servicio Uc durante un periodo de tiempo especificado.

Up - Nivel de protección de tensión: Es el valor de tensión máximo que

limita entre sus terminales el descargador cuando desvía la corriente descarga

hacia tierra. Este valor es mayor que el valor más alto (Ures) obtenido durante las

mediciones de limitación de tensión (en In para los tests clase I y II)

(Up no debe ser más alta que el valor de tensión tolerado por el equipamiento que

debe proteger)

Ures – Tensión residual: tensión de pico que aparece entre los bornes del

protector contra sobretensiones debido al paso de una corriente de descarga.


Descargadores TIPO I

Iimp - Corriente de impulso para el test clase I: Valor de la corriente de

pico de una forma de onda 10/350 máximo que puede ser desviado a tierra por el

protector. Se usa para clasificar los protectores contra sobretensiones para el test

clase I. (Descargador Tipo I)

Ifi (kA)– Corriente de seguimiento máxima: valor eficaz de la corriente de

cortocircuito máxima que puede ser interrumpida por el protector contra

sobretensiones bajo Uc. ( aplica para descargadores tipo “spark gap”)

Ifi >= Ip(corriente presumida de CC en el punto de instalación), sino el fusible

aguas arriba se fundirá cada vez que el protector actúe.


Descargadores TIPO II

In - Corriente nominal de descarga: Valor de la corriente de pico de una

forma de onda 8/20 (generalmente entre 15 y 20 apertura) fluyendo en el

protector contra sobretensiones. Se utiliza para determinar el valor de Up.

Imax - Corriente máxima de descarga para el test clase II: Valor de la

corriente de pico de una forma de onda 8/20 máximo que puede ser desviado a

tierra por el protector. Secuencia de operación del test clase II.

(Descargador Tipo II). Imax > In

Protección contra las sobretensiones transitorias

• Descargadores tipo Switching

– Tecnología cámara apaga chispas “spark gaps”: dos electrodos muy cercanos pero aislados entre sí hasta cierto valor de tensión. Estos electrodos pueden estar en aislados por aire o encapsulados por un gas noble (Gas Tube).

– En funcionamiento normal la aislación es total y no hay corrientes de fugas.

– Cuando se produce la sobretensión, la impedancia entre los electrodos baja muy cercana de cero con la formación de un arco eléctrico entre los mismos (típicamente en 100ns).

– El arco eléctrico es extinguido cuando la sobretensión termina, volviendo a aislar los electrodos.

Tecnología de los protectores SPD

Spark Gaps Spark Gaps Gas Tubes

Descargador Tipo I


Forma de Onda de corriente utilizada en el ensayo de descarga 10/350us

Funcionamiento del Descargador Tipo I

V

A

Time (s)

Time (s)

U Switching

Corriente de descarga por el SPD

Ifi

Operación de un descargador Tipo I con tecnología “Spark Gap”

Tecnología de cámara apagachispas + electrónica

Morfología – Descargador Tipo I – “Tipo Spark gap”

Electrónica de disparo

Cámara apagachispas

Cámara de aire,tungsteno y cobre

Canal de extinción

Aguja de disparo (cobre o acero)

En esta fase, una chispa se genera en la cabeza de la aguja Una vez la sobretensión se

lleva a tierra, el arco generado en la cámara de aire se extingue en la cámara apagachispas

La chispa ioniza la cámara de aire creando un arco, de modo que la sobretensión se deriva a tierra

Cuando se crea una sobretensión, la electrónica la detecta y la amplia El gas caliente pasa a través del

canal de extinción para evitar riesgo de incendios

Tecnología de cámara apagachispas + electrónicaPrincipios de funcionamiento


• Descargadores tipo limitadores de tensión

– Tecnología Varistor, resistencia variable con la tensión de forma continua pero no lineal.

– En funcionamiento normal tienen una alta aislación > 1Mohm aunque tienen una corriente de fuga permanente de entre 100 y 200us.

– Cuando se produce la sobretensión rápidamente la impedancia baja menos de 1ohm, en nano segundos, permitiendo el flujo de corriente.

– Luego de descargar la corriente a tierra vuelve a recuperar la propiedad de aislación

Tecnología de los protectores SPD

Descargador Tipo II

Protección contra las sobretensiones transitoriasFuncionamiento del Descargador Tipo II - Varistor

Operación de un descargador Tipo II con tecnología “Varistor”La tecnología de varistor más usada el la MOVMetal Oxide Varistor

V

A

Time (s)

Time (s)

Corriente de descarga que pasa a través del varistor

Up = Tensión residual de protección

Forma de Onda de corriente utilizada en el ensayo de descarga 8/20us

MOV

Tecnología varistor - Descargador Tipo II

• La tabla muestra el número de descargas admisibles para un protector de varistor.

» Imax (kA)

» In (kA)

» Idescarga es igual a In => 20 descargas admisibles

Vida útil

100 70 40 20 15 10 5 2 1

100 1 3 15 25 75 220 530 4500 15000

70 1 3 20 50 150 400 2500 9000

40 1 5 20 40 200 1000 3000

15 1 2 20 150 1000

Inte

nsid

ad m

áxim

a d

e d

escarg

a

del pro

tecto

r en k

A(I

max) Valor de la descarga en kA (magnitud de la sobretensión)

• Ejemplo: descargadores Tipo II (Imax, In, Idescarga) = cant. descargas➢ (70kA, 20kA, 10kA) = 150 descargas➢ (15kA, 5kA, 10kA) = 2 descargas

Tecnología varistor - Descargador Tipo IIVida útil▪ Un varistor, por su naturaleza, tiene pequeñas

fugas a tierra permanentes.

▪ Con el envejecimiento del varistor, estas fugas

van aumentando.

▪ Cuando llega a su vida útil puede fallar y

quedar en CC. Una protección aguas arribas

debe abrir.

Descargadores con función de auto protección

=> Cuando las fugas alcanzan un valor

peligroso, el protector se autodesconecta

(fin de vida útil)

La soldadura se funde El desconectador abre

▪ Situación normal

▪ Ocurre una sobretensión transitoria

▪ El protector contra sobretensiones actúa y despeja la sobretensión a tierra.

▪ La situación vuelve a ser normal

▪ Otro caso : Ocurre una sobretensión transitoria.


▪ En este caso, el protector llega al fin de su vida útil en la descarga.

▪ Una vez despejada la sobretensión, el protector deja una corriente permanente ¡Peligro!

▪ El interruptor general actúa: Pérdida de continuidad de servicio(y además se debe cambiar el protector)

¡Corriente permanente!

Protector sin protección termomagnética asociadaTecnología varistor - Descargador Tipo II

▪ Situación normal

▪ Ocurre una sobretensión transitoria


▪ El protector llega al fin de su vida util en la descarga..

▪ Una vez despejada la sobretensión, el protector deja un cortocircuito permanente ¡Peligro!

▪ El interruptor asociado actúa :¡Instalación con continuidad de servicio!(aunque se debe cambiar el protector)

¡Cortocircuito permanente!

Protector con protección termomagnética asociadaTecnología varistor - Descargador Tipo II

Tecnología de cámara apagachispas – “Spark gap”Descargador Tipo I

▪ En los protectores de tecnología de cámara apagachispas (spark gap), no se prevé un fin de vida útil del protector como en el protector de tipo varistor.

▪ Al descargar una sobretensión, el arco eléctrico puede quedar en los electrodos de la cámara apagachispas formando un cortocircuito permanente en el protector.

También se recomienda protección termomagnética asociada, en lo posible coordinada con el interruptor general, para mantener la instalación funcionando en caso que tenga que actuar por falla del descargador.

Por esto se le llama protección de back-up

Tecnologías de los protectores contra sobretensiones

• Descargador Tipo I – Ejemplo Tecnología “Spark Gap”

• Gran capacidad de descarga

• No existe corriente de fuga a tensiones normales

• Valores de tensión residual (Up) mayores

• Descargador Tipo II – Ejemplo Tecnología Varistor

• Tensión residual es función del varistor

• Valores de tensión residual (Up) menores

• La corriente de fuga aumenta con el impulso de tensión

• Envejecimiento con las sucesivas descargas

Comparativa

Existen descargadores que combinan ambas tecnologías y son llamados descargadores Tipo I+II y son utilizados para protección contra descargas indirectas


• Modo común: Las sobretensiones en modo común suceden entre conductores activos y tierra, por ejemplo fase/tierra o neutro/tierra.

• Este modo de sobretensión destruye a los equipos conectados a tierra (equipos clase I) y también a equipos no conectados a tierra (equipos de clase II) que están localizados cerca de una masa conectada a tierra y que no tiene suficiente aislamiento eléctrico (algunos kilovoltios).

• Las sobretensiones en modo común afectan a todos los sistemas de conexión a tierra (TT, TN, IT)

.

Protección en modo común y/o en modo diferencial

Categorías de sobretensiones

• Distingue 4 categorías diferentes según el nivel de tensión soportado :

TENSIÓN NOMINAL TENSIÓN SOPORTADA A IMPULSOS 1,2/50 (KV)

SISTEMASTRIFÁSIC.

SISTEMAS MONOFÁS.

CATEGORÍA IV CATEGORÍA III CATEGORÍA II CATEGORÍA I

230 /400V 230V 6 kV 4 kV 2,5 kV 1,5 kV

400/690 V1.000V

- 8 kV 6 kV 4 kV 2,5 kV


• Modo diferencial: Las sobretensiones en modo diferencial fluyen entre conductores activos: fase/fase o fase/neutro.

• Estas sobretensiones tienen un efecto potencial alto de daños para todos los equipos conectados a la red eléctrica, especialmente para los equipos «sensibles».

• Las sobretensiones en modo diferencial afectan al sistema de conexión a tierra TT.

• Estas sobretensiones también afectan al sistema de conexión a tierra TN-S si hay una diferencia considerable en las longitudes del cable neutro y el cable de protección (PE)

Protección en modo común y/o en modo diferencial

Protección a considerar siempre en los sistemas TT.

Protección contra sobretensionesSelección

En el caso de que se calcule / solicite o recomiende la protección SPD, debemos seleccionar el producto adecuado e instalarlo. La elección de un SPD se basa en diferentes elementos:

– Descarga directa o indirecta– Nivel de protección Up dependiendo Uw tensión que soporten los equipos;– Capacidad de descarga: Iimp/Ifi o Imax/In (10/350 μs o 8/20 μs);– (TT, TNC, TNS & IT);– Tensión de operación (Uc y Ut);– Coordinación

– Accesorios

Selección de un protector

• Protector ensayado bajo la onda 10/350

o Uc (V)

o Ut (V)

o Up(kV)

• Adecuado en instalaciones con un elevado riesgo de impacto directo de rayo.

Descargador Tipo I

o Iimp (kA)

o Ifi (kA)

o TT/TN/IT


• Protector ensayado bajo la onda 8/20.

• Adecuado en instalaciones que puedan sufrir un impacto indirecto de rayo u operaciones de conmutación de la red.

Descargador Tipo II

o Imax (kA)

o In (kA)

o TT/TN/IT

o Uc (V)

o Ut (V)

o Up (kV)

Descargador Tipo I - Máxima corriente de descarga Iimp

Calculo conforme IEC 62305

Consideraciones:

• Máxima corriente de pico por una descarga directa: I=200 kA• Distribución de la corriente dentro del edificio: 50% a tierra y

50% ingresa a la instalación eléctrica. • Sistema de red: 3F+N (n=4) • Distribución igual de las corrientes en cada uno de los

conductores (3L+N)

Iimp = I x 0,5/ (n) 100 kA/ 4 = 25 kA

Iimp = 25kA x fase

Iimp total = 100kA

Selección del protector contra sobretensiones

• . ¿Porque se debe verificar esta condición para el descargador tipo I? Ifi >= Ip(corriente presumida de CC en el punto de

instalación)

• Una vez ha descargado la sobretensión, para volver al estado normal, el protector debe despejar el cortocircuito que se genera entre fase y neutro.

• La capacidad de corte del protector no es ilimitada. Por esoeste es el único caso donde utilizamos el Ip para verificar la selección del descargador Tipo I (tipo spark gap)

Descargador Tipo I “spark gap”– Descarga directa

- Ifi Corriente de seguimiento máxima interrupida en un descargador spark gap:

Si el valor de Ifi del descargador es menor que la corriente presumida de

cortocircuito en el punto de instalación, la red mantiene la corriente de arco y

se destruye el descargador o salta el fusible de back-up

I Surge

Up

Descargador Tipo I “spark gap”– Descarga directa SPD Spark Gap - Ifi

SPD Ifi > Ip

La corriente de descarga se apaga


Tipo I Tipo II

Tipo de Sobretensión

Impacto directo de rayo Impacto indirecto de rayo uoperación de conmutación

Capacidadde descarga

Muy elevada (Iimp) Reducida(Imax)

Tensión residual

(Up)

Media Reducida

Tipo I vs Tipo II

+


• Protector ensayado bajo las ondas 10/350 y 8/20.

• Adecuado en instalaciones que puedan sufrir un impacto directo o indirecto de rayo y operaciones de conmutación de la red.

Tipo I + II

+

+


• El protector siempre debe estar lo más cerca posible de las cargas.

• Si…

Coordinación de protectores : Cargas cercanas al cuadro general

Un solo protector

< 10 m

▪ Si D<10 m, basta con un solo protector, es decir, no es necesario coordinar varios

protectores.

▪ Se puede usar un Tipo 1, Tipo 2 o Tipo 1+2, según necesidades de Up para proteger

los equipos

CargasT. General


Distancia D T.General T.Secundario ¿Por qué?

10m < D < 30m Tipo 1 o Tipo 2 Tipo 2La protección final debe estar lo más cerca posible de la

carga.

Coordinación de protectores : Cargas alejadas del tablero general

CargasC. General Coordinar varios

protectores

+D > 10m


Distancia D T.General T.Secundario ¿Por qué?

10m < D < 30m Tipo 1 o Tipo 2 Tipo 2La protección final debe estar lo más cerca posible de la

carga.

30 m > D Tipo 1 Tipo 1+2 o Tipo 2Los cables largos (>30m) amplifican la sobretensión y se

debe redundar la protección.

30 m > D Tipo 2 Tipo 2Los cables largos (>30m) amplifican la sobretensión y se

debe redundar la protección.

En cualquiera de los casos anteriores, la distancia entre los protectores, debe ser no inferior a 5 m.

Velocidad de actuación : Siempre debe actuar en último lugar el protector el más cercano a la carga.

Coordinación de protectores : Cargas alejadas del tablero general

CargasT. General Coordinar varios

protectores

+D > 10m

Máxima capacidad de descarga (Iimp or Imax) que puede ocurrir a la entrada de la instalación.Nivel de protección(Up) menor a la capacidad tension de impulse (Uimp) de los dispositivosSistema de distribución determinará la configuración de los descargadores(Uc) > (Un)

100%90% 8% 2%

T1 IimpTableroGeneral

T2 ImaxTablerossecundario

T2 ImaxT. Dist

Selección de un protectorD > 30m - Regla 1 equipos a < 10m

< 10m

Reglas de instalaciónRegla 2 : Los 50 cm

▪ Para que las cargas estén sometidas a la mínima tensión posible durante la sobretensión, la suma de L1+ L2 + L3 no debe superar los 50 cm.

▪ Si no se respeta dicha distancia se debe :

▪ Elegir un protector con una tensión residual Up inferior▪ Instalar un segundo descargador


Protectorcontra

sobretensiones

Horno

UPS

Ordenadores

Enchufes

Luces

Interruptorde cabecera

Interruptoresautomáticos


Horno

UPS

Ordenadores

Enchufes

Luces

A

B

65 cm

35

cm

65 cm

10 kA a través de 1m

1.000V

650 V

650 V

35

0 V

1.2

00

V

Caída de tensión = 2.850 V

Reglas de instalación Regla 2 : Los 50 cm

Horno

UPS

Ordenadores

Enchufes

Luces

A

B

10

cm

10

cm

10 cm

10

0 V

100V

10

0 V

1.2

00

V

Caída de tensión = 1.500 V

Reglas de instalación

• Regla 3: Sección de los conductores– La sección del cable de conexionado de los descargadores debe ser la indicada en cada caso según el

tipo de descargador.

– La corriente que puede circular a través de los mismos suele hacerlo superficialmente debido a la alta frecuencia, aunque se debe prever la corriente de cortocircuito de la instalación.

• Regla 4: Equipotencialidad de la red de tierras – Las tierras de todos los protectores de sobretensión y pararrayos deben estar conectadas a una única

tierra asegurando la equipontencialidad.

– Este hecho evita diferencias de potencial entre masas y un deterioro del nivel de protección indicado.

Reglas 3 y 4


• En la medida de lo posible, los cables se deben instalar preferentemente paralelos y juntos distinguiendo dos zonas en el cuadro eléctrico:

– Zona asociada a las salidas de los circuitos (“zona limpia”).

– Zona asociada a las descargas (“zona sucia”).

Regla 5: Posición y ubicación de los cables

Reglas de instalación Regla 5: Posición de los cables

Bornera de tierra

Interruptor automático asociado

Salidas

Repartidor

Protector contra sobretensiones

Sobretensión

Zona de descarga

Zona de salidas


• Tal y como se ha comentado anteriormente, en caso de coordinar protectores, la distancia entre protectores no puede ser inferior a 5 metros.

• De este modo, se pretende que el protector instalado más cerca de la carga, actúe después que el protector principal.

Regla 6: Distancia mínima entre protectores

Distancia mínima entre protectores

D > 5 m

SolucionesRepuestos y señalizaciones

orCatálogo fabricante

Protección contra sobretensionesSelección de la protección adecuada

Protección contra sobretensionesSelección de la protección adecuada

Protección contra sobretensionesInstalación típica

Surge risk

Type 240kA

Type 2 / Type 320kA / 10kA

TDS

TD cerca de equipos

TGP

Protección contra sobretensiones Instalación típica

Descarga directaType 1Type 1+225kA / 15kA

No descarga direcaType 2 70kA

OVR T2 3N 40 275s P TST1

T1+2T2

• Tipo de Descargador Plus

T3

TC

PV

• Unipolar (-) o Monofásico (1N) o Trifásico + Neutro (3N) o 4 Varistores (4L)• Poder de Ruptura Imax (15, 20, 40, 70kA)• Tension de Fase (255 V / 275 V / 440 V )• Doble varistor de seguridad (s – opcional)• Enchufable (P – opcional) • Contacto de Señalización (TS - opcional)

Selección de un protector: Ejemplo de un modeloEjemplo de un descargador Tipo II - ABB

Curso Instalaciones Eléctricas


Referencias

• Normas IEC• IEC 62305• IEC 61643• IEC 60364

• Practical Guide for the protection against surges – 2016(ABB)• Notas preliminares para el curso de Protección contra Descargas Atmosféricas.

IIE_FING_UdelaR• Protección conta Sobretensiones transitorias – Baja Tensión – 2010(Schneider)• Overvoltage protection devices – 2018(Siemens)• Protección contra sobretensiones – Catálogo técnico – 2019(Phoenix contact)• Protección contra sobretensiones - Catálogo técnico (ABB) – Basado en el reglamento

de REBT ITC-BT-23

protección contra sobretensiones

Documents