Artículos de Blog Calidad de Energía y Protección
¿Sabe usted qué es y cuáles son los componentes de un supresor de transientes de sobrevoltaje?
Jun
¿Tecnologías Disponibles para la Protección Contra Transientes de Sobrevoltaje ?
Preguntas a responder en este artículo:
- ¿Cómo me protejo de los transientes de sobrevoltaje?
- ¿Qué es un supresor de transientes de sobrevoltaje SPD y cómo funciona?
- ¿Cuáles son los componentes de supresión más importantes en un Supresor de Transientes de Sobrevoltaje SPD?
[rml_read_more]
¿Cómo me protejo de los Transientes de Sobrevoltaje ?
Para mantener una alta calidad de potencia en sus instalaciones, se requiere una estrategia integral de mejoramiento y protección. Como se muestra en la figura siguiente, figura #1, existen ciertos pasos y soluciones que se pueden integrar, de tal forma que se logre una solución completa y sostenible, para reducir los tiempos muertos y los costos de mantenimiento y pérdidas de materia prima.
Como base de todo el sistema, está la red de distribución eléctrica, que incluye los centros de carga, disyuntores y/o fusibles, cableado, aterrizamiento, mallas de tierra, distribución de carga. Existen estudios dónde se ha comprobado que el mal estado de estos componentes, genera entre un 70 y un 80% de los problemas de calidad en la potencia.
Una vez que haya mejorado la red de distribución eléctrica en su facilidad, puede instalar elementos tales como dispositivos de protección contra transientes (SPD), reguladores de voltaje (eficaces para algunos tipos de SAGS y SWELLS) filtros de harmónicas, protectores de transientes de datos y señales, entre otros.
Como siguiente nivel se encuentran los sistemas de respaldo, que evitan los tiempos muertos causados por sobre y bajos voltajes, e interrupciones. Estos dispositivos varían en capacidad (kva) tiempo de respaldo (h) y tiempo de respuesta (s).
Finalmente llegamos a la parte de administración, control y seguimiento, que es responsabilidad de los analizadores de calidad de potencia, que analizamos en detalle en artículos anteriores, y que nos permiten tener información del desempeño de los componentes de los niveles inferiores, y a la vez prevenir eventuales fallos que pueden significar pérdidas significativas en costos y tiempos muertos.
En este artículo nos vamos a centrar en discutir sobre los dispositivos de supresión de transientes de sobrevoltaje, conocidos como SPD (Surge Protection Device, en inglés).
Los SPDs antes conocidos como TVSS (Transiente Voltage Surge Supressor, en inglés) se han redefinido como SPD para voltajes de 1 kV o menos, utilizando las designaciones, de la UL 1449, 3era edición.
¿Qué es un dispositivo supresor de transientes de sobrevoltaje SPD y cómo funciona?
Un dispositivo supresor de transientes SPD, es un dispositivo que está diseñado para limitar los transientes de sobrevoltaje producidos tanto por descargas atmosféricas (rayos) como por conmutación de cargas, con el objetivo de prevenir daños a la instalación o equipos que está protegiendo.
Para explicar el funcionamiento de los SPD se puede utilizar una analogía con un generador de electricidad hidráulico.
Consideremos que el generador está alimentado por una tubería, que a su vez está protegida por una válvula de alivio de presión Figura #2. Esta válvula de alivio, únicamente funciona si se da un aumento de presión que sobrepase un valor límite, que se sabe podría causar problemas en el generador o en la tubería. Si la presión aumenta arriba de este valor, la válvula se abre y libera la presión extra desviándola hacia un canal o tubería secundaria. Sin esta válvula, el sistema se puede ver comprometido y se puede generar daños al generador o al sistema de distribución de agua.
Hay que tener presente que, a pesar de que la válvula de seguridad está en su lugar y operando correctamente, siempre quedará un resto del impulso de presión que todavía alcanzará al generador, pero la selección de esta válvula se hace de tal forma que se reduzca la presión lo suficiente, para no dañarlo o interrumpir su funcionamiento.
Este es el mismo principio de funcionamiento de los dispositivos de protección contra transientes de sobrevoltaje. Los SPDS reducen los transientes de sobrevoltajes a niveles que eviten daños o perturben el funcionamiento de los equipos en su instalación (facilidad). El dispositivo de protección contra transientes de sobrevoltajes (SPDs), trata de desviar la mayor parte de la energía transitoria lejos de la carga, a través de una trayectoria a tierra de baja impedancia.
Hay dispositivos de protección de transientes tanto para potencia como para datos / entradas de señales. Cada uno de ellos tiene un papel específico que desempeñar y da un cierto tipo de protección.
Los SPDs no pueden crear o destruir la energía – lo que hacen es “administrarla”. Los SPDs desvían los impulsos de alta energía a tierra, y/o disipan la energía en forma de calor. La capacidad de un SPD para “administrar” los transientes de sobrevoltaje en una red de distribución eléctrica, está en función de sus componentes de supresión, la estructura mecánica del SPD, y el lugar y forma de conexión a la red de distribución eléctrica.
¿Cuáles son los componentes de supresión en un Supresor de Transientes de Sobrevoltaje SPD?
Los componentes de protección contra sobretensiones más comúnmente utilizados en la fabricación de los supresores de transientes de sobrevoltaje (SPD) son los varistores de óxido de metal (MOV), los diodos de avalancha de silicio (SAD), y los tubos de descarga de gas (GDT). Los supresores de transientes de sobrevoltaje pueden incluir uno o más de estos tipos de componentes. Algunos SPDs utilizan múltiples componentes, aprovechando los puntos fuertes y compensando los débiles de cada uno.
Varistores de Óxido de Metal – MOV
Debido a su buena relación precio/rendimiento, los MOV son el componente de protección más comúnmente utilizado en los SPD.
Los varistores de óxido de metal (MOV) se llaman así debido al componente del que están hechos, de óxido de zinc, que es semiconductor con una resistencia variable. Esta mezcla se coloca entre dos electrodos que son básicamente placas de metal. Un MOV es básicamente un gran número de diodos conectados en paralelo entre sí. Se conectan en paralelo ya que así tendrá una mayor capacidad de manejo de energía.
Los varistores de óxido de metal MOVs generalmente son de geometría redonda o rectangular. Figura #3.
En condiciones normales, el MOV es un dispositivo de alta impedancia, pero cuando le llega voltaje muy alto, la resistencia del MOV cae rápidamente para proporcionar una trayectoria de baja impedancia para el flujo de corriente. El MOV se hace conductor cuando la tensión supera el umbral de fábrica, y es en ese momento, cuando la corriente fluye a través de el.
Los MOV tienen la propiedad de mantener un diferencial de voltaje relativamente pequeño a través de sus terminales, mientras que pueden conducir grandes cantidades de corriente transiente a través de ellos.
Los MOV tienen una vida útil finita y se degradan cuando se exponen a unos cuantos grandes transientes de sobrevoltaje, o a muchos transientes de sobrevoltaje pequeños. Conforme el MOV se degrada, su tensión de activación decae.
Los MOV se comportan como un cortacircuito, lo que hará que cuando haya actividad transiente se calienten, iniciando un proceso llamado escape térmico. A medida que el MOV se calienta, se puede degradar aún más, hasta llegar a causar un fallo catastrófico que puede provocar una pequeña explosión y/o incendio, si la corriente de línea no está limitada de otra manera. Es por esta razón que los MOV frecuentemente son conectados en serie con un fusible térmico, de modo que se desconecte el fusible antes de la falla catastrófica puede ocurrir cuando el MOV se calienta. El riesgo de incendio de los MOV, es la razón por la que la Asociación Nacional de Protección contra Incendios ( NFPA ), y Underwriters Laboratories, hayan realizado cambios en el estándar UL1449 tendientes a la prevención de este problema.
Los MOV actualmente incluyen protección térmica, como se muestra en la figura #1, esto con el fin de evitar los problemas del calentamiento y reducir los riesgos de incendio. Es importante notar que disyuntor o fusible que normalmente se utiliza para instalar el SPD al centro de carga o en general al punto en la red eléctrica que se quiere proteger, es distinto del fusible térmico interno, este último no es visible para el usuario final. El disyuntor (breaker) o fusible no tiene ninguna función relacionada con la desconexión de un MOV.
Seguidamente se presenta una imagen (Figura #4) del fallo de unos MOV, y demuestra la importancia de las protecciones internas.
Resumen de ventajas y desventajas: |
| Ventajas |
| Costo bajo |
| Ampliamente disponible |
| De fácil uso |
| Capacidad de corriente de sobretensión |
| Alta degradación y riesgos de incendio |
| Desventajas |
| Capacidad de Energía |
| Susceptibilidad a sobrevoltajes temporales TOV |
| Capacitancia en derivación mayor a 500pF |
| Alta degradación y riesgos de incendio |
Tubos de descarga de gas – GDT
Los tubos de descarga de gas (GDT), pueden desviar el exceso de corriente presente en la línea de potencia hacia a tierra, mediante el uso de un gas inerte como conductor. Se componen de dos o más electrodos de metal separadas por un pequeño espacio, contenidos en un cilindro. El cilindro se llena con una mezcla de gas noble, que chispea en una descarga luminiscente y, finalmente, en una condición de arco cuando se aplica un voltaje suficiente alto a los electrodos. Figura # 5.
Debido a su acción de conmutación y a su construcción robusta, los GDT superan los otros componentes del SPD en la capacidad de transporte de corriente. La construcción es tal que tienen muy baja capacitancia. Esto permite su uso en muchas aplicaciones de circuitos de alta frecuencia.
En condiciones de operación normal, el gas inerte es un mal conductor, pero cuando el voltaje en la línea de potencia se eleva sobre un nivel aceptable, el gas inerte se ioniza y se convierte en un conductor efectivo, que permite conducir la corriente a tierra hasta que el voltaje retorna a un nivel normal.
Cuando una perturbación de voltaje alcanza el valor de formación de arco del GDT, el GDT cambiará prácticamente a un corto, conocido como el modo de arco. En el modo de arco, el GDT prácticamente cortocircuita la línea, desviando la corriente transiente a través del GDT hacia tierra, eliminando el transiente de la línea de potencia. A tensiones normales de funcionamiento por debajo del voltaje nominal CC del GDT de formación de arco, el GDT permanece en un estado de alta impedancia en estado desconectado.
Una desventaja de los GDT, es que toman un tiempo relativamente largo para disparar, esto, puede provocar que un transiente de sobrevoltaje pueda pasar, antes de que el GDT conduzca corriente efectivamente. El tiempo que tarda el proceso de formación de arco/ionización, puede dejar que el voltaje transiente exceda el voltaje tolerable en la línea de potencia, y provocar daños a los equipos que se están protegiendo.
Otra desventaja de los GDT, es que cuando entran en operación, pueden generar radiación de alta frecuencia, que puede influir en los componentes electrónicos sensibles. Por tanto, es aconsejable colocar circuitos GDT a una cierta distancia de la electrónica.
Muchos GDT son sensibles a la luz, la exposición a la luz disminuye su voltaje de activación. Por lo tanto, los GDT deben ser protegidos de la exposición a la luz.
Resumen de ventajas y desventajas: |
| Ventajas |
| Alta capacidad de manejo de corriente transiente |
| Tamaño compacto |
| Baja capacitancia |
| Alta resistencia de aislamiento |
| Desventajas |
| Alto voltaje de clamping |
| Tiempo de respuesta lento |
| Radiación de alta frecuencia |
Diodo de Avalancha de Silicio – SAD
Un diodo es un dispositivo semiconductor que permite que la corriente fluya a través de él en un sentido, con mucha mayor facilidad que en el otro. Un diodo avalancha de silicio, SAD, es un dispositivo semiconductor diseñado especialmente para trabajar con polarización inversa. En polarización inversa, los SAD tienen una alta impedancia en el voltaje de operación normal, es decir limita el paso de corriente.
Sin embargo en estos diodos, cuando el voltaje supera el valor del voltaje de ruptura, se produce la ruptura por avalancha. La ruptura por avalancha es una forma de multiplicación corriente eléctrica que permite el flujo de corrientes muy grandes, es un tipo de avalancha de electrones. Esta avalancha de electrones además de incrementar la corriente conducida por el diodo, no permite un incremento de la tensión de forma significativa.
Debido a estas características los SAD, son muy adecuados para la protección contra transientes de sobrevoltaje. Durante la operación normal al voltaje de la línea de potencia el SAD es no conductor y no interfiere con el circuito. Sin embargo, si el voltaje aumenta más allá del voltaje de ruptura, el SAD pasa a ruptura por avalancha, y causa que el exceso de corriente transiente sea conducida a tierra, manteniendo los voltajes sin variación.
En resumen, el SAD es dispositivo semiconductor que normalmente actúa como un circuito abierto, pero cambia a corto circuito cuando el voltaje supera una cierta cantidad (ruptura).
Los Diodos de Avalancha de Silicio (SAD) tienen un gran desempeño para limitar el voltaje transiente, y lo hacen extremadamente rápido (teóricamente en picosegundos), pero tienen una capacidad relativamente baja de manejo de energía. Si la corriente transiente se mantiene dentro de los límites del SAD, su vida útil es excepcionalmente larga, caso contrario fallarán rápidamente.
Debido a su capacidad de manejo corriente relativamente baja, los SAD a menudo se restringen a aplicaciones con corrientes transientes más pequeñas. Se utilizan a menudo en circuitos de alta velocidad, pero de baja potencia, como por ejemplo en aplicaciones de comunicaciones de transferencia de datos.
Resumen de ventajas y desventajas: |
| Ventajas |
| Alta velocidad de respuesta ante eventos transientes |
| Altamente efectivos |
| No se degradan |
| Baja susceptibilidad a sobrevoltajes temporales |
| Desventajas |
| Baja capacidad de manejo de corriente transiente |
| La vida útil es mucho menor |
Supresores de Transientes de Sobrevoltaje Híbridos
Otros componentes importantes, tales como resistencias, capacitores y / o inductores, se utilizan en combinación con los componentes de protección anteriormente descritos, para formar supresores de transientes híbridos.
Los supresores de transientes híbridos combinan al menos dos tipos de componentes de sobretensión. El diseño híbrido efectivo, busca aprovechar el excelente tiempo de respuesta de los SAD, combinado con la gran capacidad de manejo de energía de los MOV, o la robustez de los GDT. Cuando se diseñan adecuadamente, un SPD híbrido puede superar a un SPD que utiliza sólo MOV.
Los MOV usualmente se utilizan para la primera etapa de protección, para desviar las altas corrientes transientes. Un GDT o SAD puede proporcionar la segunda etapa de protección, entrando en operación cuando se supera la corriente nominal máxima del MOV. El capacitor actúa como supresor de los transientes de sobrevoltaje de alta frecuencia.
Sin embargo los SPD pueden tener algunos problemas, que incluyen:
-
- Si se utilizan todos los componentes en línea permanentemente, pueden dar lugar a fallo generalizados durante un evento transiente
- Algunos componentes pueden no ser apropiados para la aplicación en la que se requieren instalar
La clave para un diseño de un SPD híbrido, es maximizar las fortalezas de cada componente individual, y de complementar las debilidades. Todo enfocado hacia un mejor desempeño del SPD como un todo, en su función de supresión de los transientes de sobrevoltaje.
En nuestro siguiente artículo estaremos analizando más en detalle las características importantes que se deben analizar y evaluar para seleccionar un determinado SPD, cuales son los aspectos importantes para tomar en consideración, y como analizarlos.
 |