Definición de la sobretensión

 

Se califica de sobretensión cualquier impulso de tensión que supera la tensión máxima admisible en la red de alimentación. Desde el punto de vista físico se trata de un fenómeno accidental cuyo momento y lugar son imprevisibles. Las magnitudes perturbadoras dependen de su origen (p. ej., rayo, tensión de conmutación) y de las características del elemento sobre el que actúa. En los últimos años se han analizado las magnitudes perturbadoras, estandarizándose su descripción y clasificación. El texto siguiente describe los parámetros más importantes de una sobretensión (en consonancia con CEI 61643-1, CEI 60-1).

 

Cresta Umax,Imax es el valor máximo de la tensión y de la intensidad de una perturbación o de un impulso de prueba.
Borde de aumento es el borde de la tensión o intensidad antes de alcanzar la cresta.
Tiempo de aumento del impulso de corriente T1 el equivalente a 1,25 veces el tiempo que tardó la intensidad en aumentar del 10% al 90% de la cresta.
Tiempo de aumento del impulso de tensión T1 el equivalente a 1,67 veces el tiempo que tardó la tensión en aumentar del 30% al 90% de la cresta.
Curva de caída la curva de tensión posterior a la llegada a la cresta.
Tiempo de caída hasta 50%  T2 el tiempo que transcurre hasta que el valor de tensión ha bajado al 50% de la cresta.

 

Nota : el comienzo virtual de la curva está situado en el punto de intersección entre la recta que toca el flanco de aumento y el eje del tiempo.

[figura: comienzo virtual de la curva]

 

curve1

curve2

[figura: comienzo virtual de la curva]

 

 

Impulsos de corriente de prueba estándar

a) Descargador de sobrecorriente de rayos Iimp (10/350μs)

b) Sobrecorriente de descarga máxima Imax (8/20 μs)

 

Los descargadores de corriente de rayos deben ser capaces de descargar en las condiciones de (10/350μs) 17,5 veces más energía que los descargadores de sobretensión en condiciones de (8/20 μs). Por este motivo su estructura es distinta.

 

Causas y características de tensiones y corrientes de rayos

La tabla presentada a continuación describe las causas típicas de sobretensiones y corrientes de rayos en el entorno de edificios, envolturas de edificio y cables a través de acoplamiento inductivo o capacitivo. Normalmente, se registran los valores siguientes:

 

Causa

Sobretensión (cresta)

Sobrecorriente (cresta)

Tiempo de caída 50 %

Descarga directa

n*100 kV

>30 kA (el 50% de todos los casos)

>100 kA (el 5% de todos los casos)

>150 kA(el 1% de todos los casos)

200-1000μs

Acoplamiento galvánico

n*10 kV

de lejos, hasta 1 kA

de cerca, n*1 kA

junto al edificio n*10kA

700μs

Acoplamiento inductivo

transversal n*1 kV

longitudinal n*10kV

n*1 kA

n* 10kA

20μs

Acoplamiento capacitivo

transversal/longitudinal

n*1 kV

n*1 kA

50-100μs

 

El impulso de prueba para descargadores de corriente de rayos (10/350μs) se emplea generalmente para simular la descarga directa en líneas de transmisión y el acoplamiento galvánico a la red de alimentación.

El impulso de corriente (8/20 μs) y el impulso de tensión (1,2/50 μs) se utilizan para simular los acoplamientos inductivo y capacitivo.

 

Tipos de acoplamiento

General

La energía perturbadora puede penetrar de varias maneras en un edificio. En primer lugar, el acoplamiento se produce a través de la red de distribución.

 

Acoplamiento galvánico

Se produce por descarga de un rayo en un cable de transmisión. Esta descarga provoca sobretensiones en todos los nudos de transformadores que en parte son acopladas a la red de distribución, a pesar de los pararrayos en las instalaciones de energía.

El aumento del potencial de la tierra respecto a la red de alimentación es otro factor crítico.

 

 

Anstieg

[leyenda-glosario]

Blitzstromfluss – flujo de corriente de descarga de rayo, Potentialanstieg – aumento de potencial, Elektronische Komponenten – componentes electrónicos, Überspannungsquelle – fuente de sobretensión, lokale Überspannung – sobretensión local, Potentialdifferenz gegen Erde – diferencia de potencial respecto a la tierra

Acoplamiento capacitivo

Se produce por la disposición paralela de líneas o por el campo eléctrico de un rayo.

einkopplung

 

[leyenda-glosario]

Störquelle – fuente de perturbación, Empfangsseite – lado de recepción

Acoplamiento inductivo

El acoplamiento inductivo es causado por el campo magnético generado por un rayo, que induce una corriente en todos los conductores eléctricos que alcanza, provocando en los extremos de éstos una sobretensión. Cuanto mayor sea la velocidad de cambio de la intensidad (di/dt), mayor será la inducción.

 

 

 

einkopplung_2

 

[leyenda-glosario]

Störquelle – fuente de perturbación, Induktionskreis – circuito de inducción

Tipos de sobretensión

Descarga directa por rayo

Las descargas se producen entre nube y tierra o entre dos nubes de diferente carga. Sólo una pequeña parte de las descargas tiene lugar entre varias nubes y la tierra. Los rayos de nubes nacen de las llamadas células de tormenta. Cada célula de tormenta permanece activa durante unos 30 minutos produciendo entre 2 y 3 rayos por minuto. Frecuentemente las células se extienden hasta una altura de 10 km, y su fondo, visible desde la tierra, se encuentra a una altura de 1 – 2 km sobre el suelo. En el centro de una célula de tormenta hay una fuerte corriente ascendente que provoca una separación de cargas dentro de las nubes. Las partículas positivas se encuentran en el extremo superior de la célula de tormenta, y las negativas están dentro de gotas de agua en el lado inferior de la célula. Cuando la célula se acerca al suelo, tiende a descargarse. Los árboles a la orilla de un bosque actúan entonces de pararrayos. Al principio del verano se forman tormentas por el movimiento de grandes masas de aire. La frecuencia de su formación depende de la temporada. En los meses de verano (julio-agosto) se producen cinco veces más tormentas que en las otras estaciones del año. El calentamiento de la tierra propicia el ascenso de las masas de aire y, como consecuencia, la formación de tormentas. Con la ayuda de CEI 1312-1:1995 se puede describir un rayo y sus características.

 

Carga de impulso absoluta Qf máx.300 C
Primera carga de rayo Qs máx.100 C
Primera corriente de rayo Iimp máx.200 kA
Energía específica del primer rayo máx.10 MJ/Ω
Velocidad de subida de intensidad di/dt máx.200 kA/μs

 

Distribución de corrientes en un impacto de rayo

El sistema de protección debe ser capaz de neutralizar mediante descargadores y elementos de protección, sin sufrir daños irreparables, la sobretensión provocada por un impacto de rayo.

Se recomienda proveer el edificio de una conexión equipotencial, p. ej. entre tomas de tierra del edificio, tuberías de calefacción, distribución eléctrica, tuberías de agua, etc. para evitar la formación de potenciales diferenciales. El diagrama siguiente muestra una distribución típica de corrientes de rayo en un concepto de protección contra rayos escalonado.

 

haus

 

[leyenda-glosario]

Erdpotential – potencial de tierra, Informationsnetz – red de información, Potentialausgleich – conexión equipotencial, Metall-Leitungen – conductores metálicos, Elektronetz – red eléctrica, Hauserdung – toma de tierra del edificio, Klasse – clase, Schutzstufe – paso de protección

 

Donde es posible la medición explícita se supone que:

1) el 50 % de la corriente del rayo de Iimp =200 kA (10/350)/2=IS1=100 kA es conducido a tierra por los conductores metálicos,

2) el 50 % de la corriente del rayo de Iimp=200 kA(10/350)=IS2=100 kA es absorbido por los componentes domésticos, por la red de telecomunicaciones/información, por los conductores metálicos y por la red eléctrica. Si se supone que un 17%, aproximadamente, de 100 kA debe ser neutralizado por la red eléctrica, se obtiene IELT=17 kA. Como la sobretensión se reparte entre varias fases, la corriente de descarga máxima que pasa por una componente individual es de IELT/n=17/13=5,66 kA. Puesto que todos los componentes estándar están diseñados para 8/20 μs, es decir, 8 kA en un impulso de tensión de 10/350μs (el 4% de Iimp), la porción de la corriente del rayo se descarga adecuadamente.

 

Estructura del concepto de zonas de protección según CEI 1312-1/ CEI 62305-4/DIN VDE V 0185-4

Las zonas de protección (Lightning Protection Zones LPZ) se dividen entre zonas de contacto directo y zonas de contacto indirecto con la magnitud perturbadora (rayo).

LPZ OA

Zona en contacto directo con la corriente del rayo y que debe descargarla, estando sometida a todo el campo electromagnético.

LPZ OB

Zona que no tiene contacto directo con la corriente del rayo, pero que recibe la carga de corrientes parciales, igualmente sometida a todo el campo electromagnético.

LPZ OC

Zona al exterior del edificio, hasta una distancia de 3m del edificio, a nivel del suelo, donde actúa gran parte del campo magnético creando un peligro para seres vivos. (CEI 62305-4/DIN VDE V 0185-4)

LPZ 1

Zona con corrientes de rayo limitadas por componentes de protección contra sobretensión entre las zonas de protección. Efecto del campo magnético debilitado por elementos de construcción.

LPZ 2

Zona interior con corrientes de impulso muy debilitadas y con un campo magnético muy debilitado por elementos de construcción.

 

Es imprescindible que las corrientes y tensiones de impulso sean reducidas de forma continua. Los requisitos de la estructura de la protección contra la sobretensión dependen de los requisitos del sistema protegido. Generalmente se da que cuanto mayor sea el número de la zona, menor será la fuerza del campo magnético y de las corrientes de impulso.

Nota: la comunicación en los límites de las zonas LPZOA, LPZOB, LPZOC, LPZ1 es descrita adicionalmente en el párrafo 3.1 de la CEI 1024-1. Los campos magnéticos al interior de un edificio dependen, sin embargo, de múltiples circunstancias individuales del entorno (p. ej., ventanas, corrientes de descarga a lo largo de los descargadores instalados en el edificio, la conexión equipotencial, las redes de tuberías, la conducción de la potencia eléctrica, etc.).

El siguiente gráfico ilustra la estructura del concepto de zonas.

 

Schutzzonen

[leyenda-glosario]

Übergang zur Schutzzone 1 (Gebäudehülle) – paso a la zona de protección 1 (envoltura del edificio), Übergang zur Schutzzone 2 (Raumschirmung) – paso a la zona de protección 2 (protección del espacio), Schutzelemente am Übergang – elementos de protección en el paso, externes Blitzschutz-System – sistema externo de protección contra rayos, Potentialausgleich und Schutzelemente – conexión equipotencial y elementos de protección, Kabel – cable(s), Versorgungsnetz – red de alimentación, Telekommunikation – telecomunicación, Erdungssystem – sistema de toma de tierra

 

La distribución descrita permite, gracias al empleo de componentes de protección contra la sobretensión, la protección de un sistema de alimentación en los pasos LPZO→1 y  LPZ1→2. Para el paso LPZO→1 deben utilizarse siempre componentes Class I (10/350 μs ) (1er paso de protección).
En el paso LPZ1→2 se recomienda instalar componentes Class II (8/20 μs) (2º paso de protección).
Se recomienda instalar un descargador Class III (paso LPZ2→3 o inferior) a cada 10 m para bloquear de forma directa los acoplamientos inductivos (8/20 μs).

Para la telecomunicación se pueden utilizar filtros de frecuencia. El sistema de toma de tierra tiene que estar bien interconectado para permitir una distribución amplia de corrientes de impulso. También es recomendable apantallar los recorridos de cables.

La tensión admisible en la instalación eléctrica entre los pasos de protección se llama tensión no disruptiva. Detrás del primer paso de protección esta tensión es de 6 kV (HVT), detrás del segundo paso de protección, de 4 kV (UV1), detrás del tercer paso de protección, de 2,5 kV(UV2), y a continuación, de 1,5 kV (caja de enchufe).

 

El gráfico siguiente muestra las asignaciones y analogías entre los estándares.

 

standards

 

 

Posibilidad de diseño del paso de protección 1

Los varistores facilitan una buena protección hasta una corriente de descarga de Iimp=20 kA (10/350). En la mayoría de los casos de baja tensión sobre tierra acoplada a un edificio, este sistema de descarga es suficiente. En necesidades más elevadas se emplearán recorridos de chispa deslizante que llevan preconectado un fusible adecuado. Esto es importante porque los recorridos de chispas conllevan una corriente If con una tensión nominal de Uc actuando prácticamente como un cortocircuito. Los varistores no presentan ese problema al volverse superóhmicos cuando se alcanza Uc.

 

Incorporación de inductancias entre los pasos de protección

A fin de garantizar una acción independiente de los pasos de protección en cascada directa, los pasos no deben estar muy próximos. La distancia mínima entre pasos es de 10 m. Si las distancias son menores, se incorporará una inductividad de 2×15μH, que simula una longitud de línea. Así se obtiene un aumento de impulso retardado, que asegura la acción del paso de protección activo y la reducción a la tensión de bloqueo del paso de protección siguiente.

 

Fusibles preconectados

Son necesarios para prevenir la sobrecarga del conductor eléctrico y de los elementos de descarga en los recorridos de chispa deslizante o varistores. El dimensionamiento del fusible preconectado está indicado por el fabricante en la ficha de datos del pararrayos; es de obligada observancia.

 

Recomendación para el diseño del paso de protección 3

El empleo de filtros de paso en combinación con una protección contra la sobretensión permite reducir la tensión de bloqueo a 0,8 – 1 kV, de modo que será inocua para los componentes electrónicos. Dicha tensión corresponde a la tensión de prueba que las fuentes de alimentación y el equipamiento soportan sin dañarse. Es conveniente que los componentes Class III no disten más de 15m del lugar de instalación del paso para que no se puedan producir acoplamientos inductivos en la parte de atrás. Este sistema tiene la ventaja de que los componentes bloquean las altas frecuencias. Su inconveniente es el dimensionamiento de la inductancia, ya que limita el paso de corriente.

Los módulos SDL-*HFF y SDL-3*HFF son ejemplos de filtros de este tipo.

 

Implementación estándar de pasos de protección de cascadas

Hay dos posibilidades de construir una cascada de protección:

 

 

cascads

 

La figura (a) muestra una protección contra el acoplamiento longitudinal de sobretensión.
La figura (b) muestra la estructura que requiere una protección contra la sobretensión transversal.

Un estudio de larga duración ha demostrado estadísticamente que la generación de sobretensiones transversales (L1/N) es mucho más frecuente que los acoplamientos longitudinales (L1/PE,N/PE). Por este motivo, los componentes de la casa SCHIRTEC están diseñados según el esquema de la figura b).