2. Transmisión y efectos de los transientes de sobrevoltaje

2.1. ¿Cómo se transmiten los transientes de sobrevoltaje en la red?

Los transientes pueden venir de diferentes fuentes, como lo discutimos en el artículo anteriormente. En las redes eléctricas de transmisión y distribución, los transientes de sobrevoltaje se dan como resultado de la caída de rayos, y de las operaciones de conmutación de la red.

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Sin embargo, es muy importante resaltar que el equipo eléctrico y electrónico está también siendo continuamente estresado por miles de transientes que ocurren todos los días en la red de suministro eléctrico interna de su edificio (facilidad), debido a la conmutación de cargas tales como unidades de aire acondicionado, motores, y como resultado de la interrupción de corrientes de corto circuito, como por ejemplo disparo de fusibles.

Aproximadamente 20%-25% de los transientes vienen de la red de distribución eléctrica de la compañía eléctrica, provenientes de diferentes fuentes como rayos, conmutación, etc. Entre el 75% y el 80% de los transientes son generados internamente.

Algunas fuentes de generación de transientes de sobrevoltaje internos por conmutación son: fotocopiadoras, fuentes de alimentación, impresoras láser, balastros electrónicos, máquinas de soldar, bancos de capacitores para corrección del factor de potencia, fuentes de suministro, controladores de temperatura, controladores de motores, bombas, inversores, compresores, generadores, variadores de velocidad, motores, iluminación, etc.

La instalación eléctrica de su edificio (facilidad) está diseñada para transmitir electricidad con una impedancia óptima que reduzca las pérdidas. Este mismo concepto aplica para la transmisión y distribución de los transientes producidos dentro de su edificio (facilidad), es decir, se producen y se distribuyen fácilmente, únicamente limitados por la frecuencia y la magnitud del transiente.

2.2. ¿Cuáles de mis equipos y cómo se ven afectados por los transientes de sobrevoltaje?

La ausencia de daños visibles en un equipo, podría interpretarse como que ha sido inmune a transientes, sin embargo, a pesar de seguir operando de forma normal, podría haber una disminución en el rendimiento, así como degradación de componentes internos, que eventualmente podrían provocar el fallo repentino. Esto es muy común en equipos electrónicos sensibles.

Los transientes de sobrevoltaje pueden afectar a cualquier instalación eléctrica, desde grandes plantas industriales hasta instalaciones pequeñas como casas de habitación. Al estar expuestos siempre a los transientes de sobrevoltaje, todo equipo eléctrico y electrónico puede irse deteriorando hasta fallar por completo, lo que implica costos de reposición de equipos, y sobre todo tiempos muertos, o paros de operación.

Los transientes de sobrevoltaje, tanto los de impulso como los oscilatorios, provocan efectos similares: interrupciones ( pérdida de datos, disparo de protecciones), degradación (reducción de vida útil de equipos), daños (fallos inmediatos, especialmente importante para servicios esenciales como sistemas de alarmas de incendios y robo), y tiempo muerto, el mayor costo de cualquier negocio, traducido en pérdida de operación, pérdida de producto, horas extras del personal, retrasos a clientes, y pérdida de ventas.

Ningún equipo electrónico es completamente inmune a los transientes de sobrevoltaje. Los efectos de los transientes son amplios y diferentes, dependiendo del tipo de equipo y de la actividad transiente presente en su instalación. La magnitud, la duración, y el número de transientes, son factores determinantes en el efecto que estos causarán sobre sus equipos eléctricos/electrónicos.. Algunos de los equipos importantes que pueden verse afectados por los transientes de sobrevoltaje son:

• Equipos y sistemas electrónicos de control, alarma, comunicación y de procesamiento de datos
• Motores
• Variadores de velocidad y arrancadores suaves
• Redes eléctricas y sus componentes
• Sistemas de iluminación
• Fuentes ininterrumpidas de potencia (UPS)

Un transiente de alta energía podría causar, incluso, que un equipo llegue a quemarse produciendo llamas y afectando además a todos los equipos que se encuentren a su alrededor, provocando daños colaterales.

Seguidamente detallamos más específicamente los efectos de los transientes en algunos equipos usualmente críticos en un edificio (facilidad):

2.2.1. Equipos y sistemas electrónicos de control, alarma, comunicación y de procesamiento de datos

Cada año los avances en la tecnología traen circuitos integrados más compactos, avanzados y sensibles, y muchos más dispositivos electrónicos utilizándolos. Se estima que un gran porcentaje de los problemas que ocurren en estos equipos, son un resultado directo de los transientes de sobrevoltaje.

No solamente los transientes de impulso de gran magnitud afectan los circuitos integrados, los transientes de baja magnitud y frecuencia, pueden causar que se degrade reduciéndose de forma considerable su vida útil, conduciéndolo a un fallo prematuro. En muchos casos, la mayoría del tiempo de forma superficial, la falla “catastrófica” de un equipo es atribuida a “su edad”, y se dejan de analizar otros factores que pudieron y pueden estar afectando. Lo peor es que el equipo nuevo, que se instala en sustitución del dañado, será afectado por los mismos problemas que afectaron el equipo que estuvo instalado previamente.

Componentes electrónicos dañados

Algunos de los efectos en los circuitos integrados de los equipos electrónicos son:

• Fallos en la memoria de almacenamiento
• Formación de arcos eléctricos y pérdida de componentes
• Derretimiento y corrosión de los circuitos integrados
• Fallos de los discos de almacenamiento
• Fallo catastrófico en el dispositivo

2.2.2. Sistemas de Iluminación

El impacto de los transientes en los sistemas de iluminación, es un aspecto muy importante de evaluar, ya que sus efectos pueden generar costos importantes en el mantenimiento del edificio (facilidad), así como en el desempeño del personal.

Actualmente la gran mayoría de los sistemas de iluminación presentes en los edificios (facilidades) son los sistemas tipo fluorescentes.

En una lámpara fluorescente los voltajes entre los electrodos, ionizan el gas dentro del tubo. La influencia de los transientes en las lámparas fluorescentes pueden generar los siguientes efectos importantes:

• Daño en el tubo fluorescente
• Daño de los balastros

Tubo fluorescente dañado

Otro tipo de iluminación, que es importante de analizar debido a que se ha revolución tecnológica muy importante y actual, y su avance está siendo muy vertiginoso reemplazando las tecnologías existentes de fluorescente, incandescente, etc.; es la iluminación LED.

La iluminación LED tiene el problema de su costo inicial, el cual es alto, y por lo tanto el retorno de inversión depende no solo de su bajo consumo (watts) sino también de su bajo costo de mantenimiento y de una más larga vida útil. De esta forma, para poder garantizar este retorno de inversión, las lámparas LED deben tener confiabilidad y durabilidad, y es precisamente por ello, que debe de darse alta importancia a los problemas que los transientes de sobrevoltaje puedan causar.

Los transientes de sobrevoltaje, pueden causar los siguientes efectos sobre la iluminación LED:

• Fallo del módulo LED
• Fallo del controlador del LED
• Fallo de las interfaces de control

2.2.3. Red de Distribución Eléctrica

El sistema de distribución eléctrica (red de distribución eléctrica) de su edificio (facilidad) también puede verse afectado por los transientes de sobrevoltaje.

Los transientes de sobrevoltaje, degradan los contactos de los interruptores, desconectadores y disyuntores.

Algunos de los efectos de los transientes de sobrevoltaje serían:

• Disparo de fusibles
• Fallo de interruptores
• Fallo de disyuntores

El caso de los transformadores es importante analizarlo con un poco más de detenimiento, debido a su importancia y criticidad dentro de la red de distribución eléctrica. Los componentes dieléctricos del bobinado de un transformador pueden ser estresados eléctricamente cuando son afectados por los transientes de sobrevoltaje. Los componentes de alta frecuencia del transiente de sobrevoltaje dan como resultado una distribución de voltaje altamente no uniforme. Esto concentrará el estrés eléctrico al final de las vueltas del devanado, que puede causar fallo dieléctrico entre vueltas adyacentes. Adicionalmente, el devanado puede resonar si sus frecuencias naturales coinciden con el componente de frecuencia del transiente de sobrevoltaje. En esta situación algunos puntos internos del devanado, pueden alcanzar un pico de voltaje mucho más alto que el voltaje aplicado. Esto puede causar fallo dieléctrico entre las partes del devanado, incluso si la amplitud pico del voltaje aplicado está bajo del BIL (siglas en inglés de Nivel de Aislamiento Básico) del devanado. En resumen los efectos podrían ser:

• Fallo en aislamiento
• Corto circuitos internos en los devanados

2.2.4. Sistemas ininterrumpidos de potencia (UPS)

El uso de unidades ininterrumpidas de potencia (por sus siglas en inglés UPS), y de los dispositivos de protección contra transientes son muy importantes, pero también muy diferentes.

La función principal de una UPS es servir de respaldo para la fuente de alimentación de potencia normal, compañía eléctrica. A pesar de que a través del tiempo las UPS han evolucionado mucho y se han convertido en sistemas cada vez más robustos, no pueden ser consideradas como una solución completa, para el edificio o facilidad, de problemas de calidad de potencias.

Es muy importante tener claro que no porque la UPS esté operando, significa que está completa y totalmente operacional y que pueda darle la confiabilidad que requieren sus equipos críticos, sin que usted esté si quiera enterado. Los sistemas de UPS son sistemas electrónicos-eléctricos-mecánicos complejos, y pueden tener limitaciones técnicas para resolver situaciones potencialmente críticas en calidad de potencia.

Comportamiento anómalo registrado en una medición simultánea entrada y salida de UPS

Sin una apropiada protección contra transientes, por ejemplo, la UPS también queda comprometida a un eventual fallo o malfuncionamiento. El estándar C62.41.1, sección 8.6.5, hace referencia a esto y define los transientes como un problema dañino para las UPS.

2.2.5. Motores

En edificios (facilidades) comerciales e industriales, la conmutación encendido/apagado de motores utilizado por máquinas, aires acondicionados, refrigeración, compresores de aire, y otros equipos con cargas pesadas de arranque, son la mayor fuente de transientes de alto voltaje.

Aparte de ser grandes generadores de transientes de sobrevoltaje, los motores también se ven afectados por ellos.

Los motores operaran a más altas temperaturas cuando los transientes de voltaje están presentes, los transientes son energía, y esa energía se transforma en calor. Los motores están hechos de metal, por lo que son unos excelentes conductores de calor. Tienen ejes de metal y cojinetes de metal. Cuando el eje de metal y el cojinete se sobrecalientan, las tolerancias se reducen, y esto crea extra fricción y resistencia. Con el aumento de la resistencia se da una reducción de la velocidad, por esta razón el motor va a tender a consumir potencia adicional para poder operar a la velocidad para la cual fue diseñado.

El efecto principal de los transientes de sobre voltaje en los motores es que producen una degradación del aislamiento del motor, hasta un eventual fallo catastrófico.

Motor con daño en aislamiento y probable arco

Para empeorar la situación, los motores al degradarse debido a los transientes de sobrevoltaje, pueden incrementar la producción de transientes, lo cual, como hemos analizado previamente, incrementa la posibilidad de fallo de otros equipos que están también conectados a la red de distribución eléctrica del edificio (facilidad).

2.2.6. Arrancadores Suaves

Porqué los arrancadores suaves y variadores de velocidad, generalmente confiables, algunas veces fallan de forma inesperada, la respuesta es simple, a causa de los transientes de sobre voltaje.

Desde su introducción los arrancadores y variadores de estado sólido, han asumido muchas funciones que los dispositivos electromecánicos tradicionales (DET) no podían manejar o no podían desarrollar tan bien. La ventaja muy importante es que a diferencia de los dispositivos electromecánicos, la vida útil de los dispositivos de estado sólido es 20 o más veces mayor, y han sido probados hasta para 200 millones de operaciones.

En teoría y bajo condiciones ideales, los dispositivos de estado sólido deben funcionar bien para millones de operaciones. Claro, hablamos de “condiciones ideales”. En la vida real aunque son más confiables, pueden ser víctimas del calor y de las fallas de carga, pero la amenaza más común es la de los transientes de sobrevoltaje.

Los dispositivos de estado sólido tienen rectificadores de control de silicio (SCR), que son el equivalente electrónico a los contactos en los DET. Los SCRs de los dispositivos de estado sólido no pueden soportar el efecto de los transientes de sobre voltaje, y eventualmente se dañan.