UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELÉCTRICA
ESTUDIO DE APLICACIÓN DE TVSS PARA INSTALACIONES DE BAJA TENSIÓN FRENTE A SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
Por: Angel Alvarado
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar Como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Electricista
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELÉCTRICA
ESTUDIO DE APLICACIÓN DE TVSS PARA INSTALACIONES DE BAJA TENSIÓN FRENTE A SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
Por: Angel Alvarado
Realizado con la asesoría de:
Tutor Académico: Prof. Juan Carlos Rodríguez
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar Como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Electricista
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ESTUDIO DE APLICACIÓN DE TVSS PARA INSTALACIONES DE BAJA
TENSIÓN FRENTE A SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
Realizado por
Angel Alvarado
RESUMEN
El propósito de este informe de grado es el realizar un estudio acerca del nivel de protección brindado por los supresores de sobretensiones transitorias a sistemas de baja tensión frente a una sobretensión de maniobra, esto con el fin de determinar la viabilidad de estos dispositivos frente a estos fenómenos. Para cumplir este objetivo se realizó un estudio de acuerdo a normativas internacionales acerca de las sobretensiones de origen por maniobra y métodos de estudios de estas sobretensiones. Luego se propone un breve criterio para la selección de dispositivos de protección contra transientes de acuerdo a las categorías de sobretensiones propuestas por las normas estudiadas, además se describen las especificaciones eléctricas que poseen estos equipos de acuerdo a los estándares estudiados. Seguidamente se analizó un ejemplo de simulación de descargas atmosféricas de un estudio anterior con resultados y aspectos tales como tipo de conexión de supresores de transientes entre otros. Finalmente se evaluara el nivel de protección brindado por los mismos esquemas de conexión del ejemplo expuesto tras realizarle una modificación topológica para simular una sobretensión de maniobra. Los resultados muestran que la función de protección del supresor está dirigida a minimizar las consecuencias de sobretensiones de gran magnitud, típico de las sobretensiones de origen atmosférico.
ii
AGRADECIMIENTOS
A mi madre Jhageima por darme la vida, por brindarme su amor y apoyo incondicional, por enseñarme que con perseverancia se alcanzan los sueños.
A mi padre Manuel su crianza y valiosos consejos me ayudaron a convertirme en el hombre que hoy en día soy.
A mis abuelos y tíos, los cuales siempre me dieron apoyo dieron y aliento en todo momento de mi trayectoria académica.
A mi padrino Juan Ramón, cuyo apoyo a distancia e impresionante trayectoria profesional siempre fue un modelo inspirador y motivacional.
A mi bella novia Laura, por su apoyo, mentalidad positiva, motivación en todo momento y preocupación de que todo me saliera bien.
A mi tutor de tesis Juan Carlos Rodríguez, por compartir conmigo sus conocimientos y apoyarme durante todas las etapas de esta tesis.
A mis amigos y compañeros de carrera que influyeron y apoyaron durante mi trayecto académico.
Y a todos los que de alguna u otra forma tuvieron alguna vinculación con el progreso adecuado de mi trabajo.
iii
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN ... i
AGRADECIMIENTOS ... ii
ÍNDICE GENERAL ... iii
ÍNDICE DE TABLAS ... vi
ÍNDICE DE FIGURAS... vii
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS ... xi
INTRODUCCION ... 1
CAPITULO I ... 4
SOBRETENSIONES TRANSITORIAS ... 4
1.1 SOBRETENSIONES TRANSITORIAS ... 4
1.2 CLASIFICACIÓN DE SOBRETENSIONES TRANSITORIAS ... 6
1.2.1 SEGÚN LA FORMA DE ONDA ... 7
1.2.2 SEGÚN LA DURACIÓN DEL TRANSITORIO ... 8
1.3 FORMA DE ONDAS REPRESENTATIVAS Y CLASIFICACIÓN DEL AMBIENTE ELÉCTRICO... 9
1.3.1 FORMAS DE ONDA REPRESENTATIVAS POR ESTÁNDARES DE LA IEEE ... 9
1.3.2 AMBIENTE ELÉCTRICO DE ACUERDO ESTÁNDARES DE LA IEEE ... 10
1.3.3 FORMAS DE ONDA REPRESENTATIVAS POR ESTÁNDARES DE LA IEC ... 13
1.3.2 AMBIENTE ELÉCTRICO DE ACUERDO ESTÁNDARES DE LA IEC ... 14
1.4 CONSECUENCIAS DE SOBRETENSIONES TRANSITORIAS ... 16
1.4.1 EFECTOS EN LOS MATERIALES ... 16
iv
1.4.2 CAPACIDAD DE LOS EQUIPOS ELÉCTRICOS ANTE IMPULSOS DE TENSIÓN
... 20
CAPITULO II ... 22
SOBRETENSIONES DE MANIOBRA ... 22
2.1 SOBRETENSIONES POR MANIOBRA. ... 22
2.2 ORIGEN DE SOBRETENSIONES POR MANIOBRA ... 22
2.2.1 OPERACIONES NORMALES ... 23
2.2.2 OPERACIONES ANORMALES ... 25
2.3 MÉTODO DE ESTUDIO DE SOBRETENSIONES DE MANIOBRA MEDIANTE CIRCUITOS RLC ... 25
CAPITULO III ... 31
FUNCIONAMIENTO Y ESPECIFICACIONES DE LOS SPD ... 31
3.1 SUPRESORES ELÉCTRICOS ... 31
3.1.1 FUNCIONAMIENTO DE UN SPD ... 31
3.2 TIPOLOGÍAS DE SPD ... 32
3.2.1 TIPO “CROW BAR” O DESCARGADORES DE GAS ... 33
3.2.2 TIPO “CLAMP” O VARISTORES ... 34
3.2.3 TIPO COMBINADO ... 35
3.3 SELECCIÓN Y COORDINACIÓN DE SUPRESORES ... 36
3.4 ESPECIFICACIONES DE LOS SUPRESORES SEGÚN ESTÁNDARES DEL IEEE ... 40
3.5 ESPECIFICACIONES DE LOS SUPRESORES SEGÚN ESTÁNDARES IEC ... 42
CAPITULO IV... 45
CASO DE ESTUDIO: NIVEL DE PROTECCION CONTRA SOBRETENSIONES DE MANIOBRA. ... 45
4.1 DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO ORIGINAL ... 45
v
4.1.2 CASO DE ESTUDIO ORIGINAL CON PROTECCIONES ... 47
4.2 CASO DE ESTUDIO ... 50
4.3 SIMULACIÓN DEL CASO DE ESTUDIO ... 54
4.3.1 CASO 1 SIMULACIÓN CON PRIMERA ETAPA DE PROTECCIÓN ... 55
4.3.2 CASO 2 SIMULACIÓN CON SEGUNDA ETAPA DE PROTECCIÓN ... 57
4.3.3 CASO 3 SIMULACIÓN CON AMBAS ETAPAS DE PROTECCIÓN... 59
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 64
vi
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1.1 CLASIFICACIÓN DE TRANSITORIOS SEGÚN EL TIPO DE SOBRETENSIÓN ... 8 TABLA 1.2 CLASIFICACIÓN DEL AMBIENTE ELÉCTRICO IEEE ... 12 TABLA 1.3 VALORES MÁXIMOS DE LOS PARÁMETROS DEL RAYO SEGÚN IEC CORRESPONDIENTE AL IMPULSO POSITIVO ... 13 TABLA 1.4 PARÁMETROS PRINCIPALES DE LOS DIFERENTES TIPOS DE SOBRETENSIONES TRANSITORIAS ... 17 TABLA 1.5 IMPULSO NOMINAL DE TENSIÓN PARA EQUIPOS ALIMENTADOS DIRECTAMENTE DE LA FUENTE DE BAJA TENSIÓN ... 21 TABLA 3.1 CLASIFICACIÓN DEL TVSS DE ACUERDO AL PUNTO DE INSTALACIÓN EN EL SISTEMA ELÉCTRICO Y A LA NORMA BAJO LA CUAL ESTE FUE ESPECIFICADO ... 38 TABLA 4.1 PARÁMETROS DE TENSIÓN Y CORRIENTE EN EL MOMENTO DE LA APERTURA Y CIERRE DE INTERRUPTORES ... 53 TABLA 4.2 COMPARACIÓN DE VOLTAJES Y CORRIENTES SIN SUPRESOR CONTRA PRIMERA ETAPA DE PROTECCIÓN ... 56 TABLA 4.3 COMPARACIÓN DE VOLTAJES Y CORRIENTES SIN SUPRESOR CONTRA SEGUNDA ETAPA DE PROTECCIÓN ... 59 TABLA 4.4 COMPARACIÓN DE VOLTAJES Y CORRIENTES SIN SUPRESOR CONTRA AMBAS ETAPA DE PROTECCIÓN ... 62 TABLA 4.4 COMPARACIÓN DE VOLTAJES Y CORRIENTES SIN SUPRESOR CONTRA AMBAS ETAPA DE PROTECCIÓN ... 62 TABLA B.1 PARÁMETROS NORMALIZADOS DE LA CORRIENTE QUE INGRESA A LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA SEGÚN IEC ... 71 TABLA C.1 VALOR MÍNIMO RECOMENDADO PARA UC DEPENDIENDO DEL SISTEMA ELÉCTRICO ... 75 TABLA D.1 VALORES DE TENSIÓN EN LA CARGA SIN ESQUEMA DE PROTECCIÓN83 TABLA D.2 TENSIONES RESULTANTES EN LA SIMULACIÓN BANCO DE CAPACITORES ... 85
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1.1 EJEMPLOS DE SOBRETENSIÓN ... 4
FIGURA 1.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE SOBRETENSIÓN ... 5
FIGURA 1.3 CLASIFICACIÓN DE SOBRETENSIONES ... 9
FIGURA 1.4 AMBIENTE ELÉCTRICO DE ACUERDO A LA IEEE ... 12
FIGURA 1.6 PARÁMETROS DEL IMPULSO CORTO, T2 NORMALMENTE MENOR A 2MS ... 13
FIGURA 1.7 PARAMETROS DEL IMPULSO LARGO ... 14
FIGURA 1.8 AMBIENTE ELÉCTRICO DE ACUERDO A LA IEC ... 16
FIGURA 1.9 VÍAS DE INGRESO DE PERTURBACIONES EN UN EQUIPO ELÉCTRICO ... 18
FIGURA 1.10 EFECTO DE LAS SOBRETENSIONES TRANSITORIAS EN EQUIPOS ELECTRÓNICOS... 19
FIGURA 2.1 MUESCAS DE VOLTAJE ... 23
FIGURA 2.2 REENCENDIDO DE BANCO DE CAPACITORES ... 24
FIGURA 2.3 GENERACIÓN DE UN SOBREVOLTAJE MEDIANTE LA OPERACIÓN DE UN CIRCUITO RLC ... 26
FIGURA 2.4 RESPUESTA AMORTIGUADA, SOBREAMORTIGUADA O CRÍTICAMENTE AMORTIGUADA DE UN CIRCUITO RLC... 27
FIGURA 2.5 CIERRE 2 MS DESPUÉS DEL CRUCE POR CERO DE LA FUENTE ... 28
FIGURA 2.6 CIERRE EN EL INSTANTE CERCANO AL PICO DE LA FUENTE ... 29
FIGURA 2.7 EFECTO EN LA FRECUENCIA DE OSCILACIÓN EN UN CIRCUITO RLC AL DISMINUIR SOLO LA CAPACITANCIA ... 30
FIGURA 2.8 EFECTO EN LA FRECUENCIA DE OSCILACIONEN UN CIRCUITO RLC AL AUMENTAR SOLO LA RESISTENCIA... 30
FIGURA 3.1 FUNCIONAMIENTO DE UN SPD IDEAL EN ESTADO INOPERATIVO ... 32
FIGURA 3.2 FUNCIONAMIENTO DE UN SPD IDEAL EN ESTADO OPERATIVO ... 32
FIGURA 3.3 DIFERENTES FAMILIAS DE SPD CON SUS RESPECTIVOS SÍMBOLOS TÉCNICOS ... 33
FIGURA 3.4 OPERACIÓN DE SUPRESOR TIPO CROW BAR ... 34 FIGURA 3.5 OPERACIÓN SUPRESOR TIPO CLAMP (GRAFICA V VS. I LINEAL) ( 22 . 35
viii
23 FIGURA 3.6 OPERACIÓN SUPRESOR TIPO CLAMP (GRAFICA V VS. I LOGARITMICA) ... 35 FIGURA 3.7 DISPOSITIVO MULTIETAPAS ... 36 FIGURA 3.9 SUPRESORES TIPO CLAMP O VARISTOR, DE LA SERIE SES200 FABRICADO POR CRITEC ... 41 FIGURA 3.10 SUPRESORES TIPO CROW BAR O DESCARGADORES, TRIGGERED SPARK GAP OTSG DE LA SERIE 1130 ... 42 FIGURA 3.11 SUPRESOR TIPO CLAMP O VARISTOR, SUPRESOR TIPO I+II+III AC DS250VG SERIES, FABRICADO POR CITEL ... 44 FIGURA 3.12 SUPRESOR TIPO CROW BAR O DESCARGADOR, SUPRESOR FLT-CP-N/PE-350, FABRICADO POR PHOENIX CONTRACT ... 44 FIGURA 4.1 DIAGRAMA UNIFILAR CASO DE ESTUDIO ORIGINAL... 46 FIGURA 4.2 MODELO DE SIMULACIÓN DEL CASO DE ESTUDIO PREVIO ORIGINAL ... 46 FIGURA 4.3 TENSIÓN VISTA EN EL TABLERO TR CASO DE ESTUDIO ORIGINAL... 47 FIGURA 4.4 DIAGRAMA UNIFILAR DEL CASO DE ESTUDIO ORIGINAL CON PROTECCIONES ... 47 FIGURA 4.5 MODELO DE SIMULACIÓN DEL CASO DE ESTUDIO ORIGINAL CON PROTECCIONES ... 48 FIGURA 4.6 SOBRETENSIÓN VISTA EN LA CARGA DE INTERÉS CON UNA ETAPA DE PROTECCIÓN CERCANA AL ORIGEN DE LA INSTALACIÓN ... 48 FIGURA 4.7 SOBRETENSIÓN VISTA EN LA CARGA DE INTERÉS CON UNA ETAPA DE PROTECCIÓN CERCANA A LA CARGA ... 49 FIGURA 4.8 TENSIÓN VISTA EN EL TABLERO TR CASO PROPUESTO ... 50 FIGURA 4.9 DIAGRAMA UNIFILAR CON MODIFICACIÓN PARA CASO DE ESTUDIO SIN SUPRESORES ... 50 FIGURA 4.10 MODELO DE SIMULACIÓN CON MODIFICACIÓN PARA CASO DE ESTUDIO SIN SUPRESORES ... 51 FIGURA 4.11 FORMA DE ONDA DE TENSIÓN EN LAS DIFERENTES FASES EN MOMENTO DE APERTURA Y CIERRE DE LOS INTERRUPTORES ... 52
ix
FIGURA 4.12 FORMA DE ONDA DE CORRIENTE EN LAS DIFERENTES FASES EN EL MOMENTO DE APERTURA Y CIERRE DE LOS INTERRUPTORES ... 52 FIGURA 4.13 AMPLIACIÓN DE LA FORMA DE ONDA DE TENSIÓN FASES A, B Y C EN EL INSTANTE 6 MS ... 53 FIGURA 4.14 DIAGRAMA UNIFILAR CON MODIFICACIÓN PARA CASO DE ESTUDIO CON SUPRESORES ... 54 FIGURA 4.15 MODELO DE SIMULACIÓN CON MODIFICACIÓN PARA CASO DE ESTUDIO CON SUPRESORES ... 54 FIGURA 4.16 TENSIÓN EN LA CARGA CON PRIMERA ETAPA DE PROTECCIÓN FASES A, B, C ... 55 FIGURA 4.17 CORRIENTE EN LA CARGA CON PRIMERA ETAPA DE PROTECCIÓN FASES A, B, C ... 55 FIGURA 4.18 CORRIENTE CIRCULANTE EN EL SPD DE LA ETAPA 1 FASES A, B, C . 56 FIGURA 4.19 TENSIÓN EN LA CARGA CON SEGUNDA ETAPA DE PROTECCIÓN FASES A, B, C ... 57 FIGURA 4.20 CORRIENTE EN LA CARGA CON SEGUNDA ETAPA DE PROTECCIÓN FASES A, B, C ... 58 FIGURA 4.21 CORRIENTE CIRCULANTE EN EL SPD DE LA ETAPA 2 FASES A, B, C 58 FIGURA 4.22 TENSIÓN EN LA CARGA CON AMBAS ETAPAS DE PROTECCIÓN FASES A, B, C ... 60 FIGURA 4.23 CORRIENTE EN LA CARGA CON AMBAS ETAPAS DE PROTECCIÓN FASES A, B, C ... 60 FIGURA 4.24 CORRIENTE CIRCULANTE EN EL SPD DE LA ETAPA 2 FASES A, B, C 61 FIGURA 4.25 CORRIENTE CIRCULANTE EN EL SPD DE LA ETAPA 1 FASES A, B, C . 61 FIGURA A.1 TÍPICA FORMA DE ONDA OSCILATORIA A 100KHZ ... 67 FIGURA A.2 RELACIÓN ENTRE LAS MAGNITUDES DE LA ONDA OSCILATORIA DE 100KHZ ... 68 FIGURA A.3 IMPULSO TÍPICO DE TENSIÓN 1.2/50ΜS ... 69 FIGURA A.4 IMPULSO TÍPICO DE CORRIENTE 8/20 ΜS ... 70 FIGURA C.1 PARÁMETROS DEL IMPULSO CORTO, T2 NORMALMENTE MENOR A 2MS ... 72
x
FIGURA B.2 PARÁMETROS DEL IMPULSO LARGO (9) ... 72 FIGURA C.1 CONEXIÓN TIPO 1 PARA SUPRESORES UBICADOS EN EL TABLERO PRINCIPAL DE DISTRIBUCIÓN ... 79 FIGURA C.2 CONEXIÓN TIPO 2 PARA SUPRESORES UBICADOS EN EL TABLERO PRINCIPAL DE DISTRIBUCIÓN ... 79 FIGURA C.3 PRUEBAS DE SEGURIDAD PARA LOS TVSS SEGÚN UL 1449 3RA EDICIÓN ... 81 FIGURA D.1 MODELO DE SIMULACIÓN CON BANCO DE CAPACITORES ... 82 FIGURA D.2 PARÁMETROS DE LOS CAPACITORES ... 82 FIGURA D.3 FORMAS DE ONDA EN LA CARGA EN EL INSTANTE DE CIERRE DEL BANCO DE CAPACITORES ... 83 FIGURA D.4 FORMAS DE ONDA EN LA CARGA EN EL INSTANTE DE CIERRE DEL BANCO DE CAPACITORES CON PRIMERA ETAPA DE PROTECCIÓN ... 84 FIGURA D.5 FORMAS DE ONDA EN LA CARGA EN EL INSTANTE DE CIERRE DEL BANCO DE CAPACITORES CON SEGUNDA ETAPA DE PROTECCIÓN ... 84 FIGURA D.5 FORMAS DE ONDA EN LA CARGA EN EL INSTANTE DE CIERRE DEL BANCO DE CAPACITORES CON AMBAS ETAPAS DE PROTECCIÓN ... 85
xi
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
μs. MicrosegundosΩ. Ohmios
AC. Corriente alterna I. Valor pico de corriente kA. Kiloampere
kHz. Kilohertz kV. Kilovoltio
L. Conductor de línea o de fase m. metros
ms. Milisegundos N. Conductor de neutro ns. Nanosegundos
SPD. Dispositivo de protección contra sobretensiones T. Conductor de tierra
TVSS. Supresor de sobretensiones transitorias Vac. Tensión AC
Vcarga. Tensión que percibe la carga
Vsup. Tensión de supresión del equipo de protección. Regulacion de tensión en porcentaje
INTRODUCCION
Los sistemas eléctricos en baja tensión se encuentran expuestos a diferentes fenómenos que pueden afectar su funcionamiento, entre ellos se encuentran las sobretensiones transitorias de maniobra las cuales a pesar de no poseer un contenido energético elevado [2], tienen una gran duración de tiempo durante su ocurrencia. Agregando que estos fenómenos pueden tener mayor frecuencia de ocurrencia que otras anomalías como el caso de las sobretensiones de origen atmosférico. Por su frecuencia y duración pueden conducir con el paso del tiempo a la reducción de la vida útil del equipo afectado o peor hasta su posible destrucción dependiendo sea el caso.
En general, existen diversos métodos de protección contra sobretensiones, entre ellos se encuentran el supresor de sobretensiones transitorias (TVSS); este equipo actúa drenando la sobrecorriente relacionada con la perturbación, de este modo limita la sobretensión que puede percibir las cargas que estén protegidas aguas abajo.
En el presente informe de tesis se busca estudiar la efectividad de los TVSS, frente a sobretensiones por maniobra, tomando en cuenta aspectos importantes como descripción y estudio de dichas sobretensiones, así como aspectos importantes a tomar en cuanto a la selección y aplicación de estos dispositivos según normas y estándares internacionales.
Como ejemplo será tomado un caso de estudio anterior [14], en el cual los esquemas de protección de TVSS ofrecen protección contra descargas atmosféricas. A el mismo se la realizara una modificación topológica, esta consistirá en agregar un generador de respaldo y dos interruptores; uno de los interruptores estará ubicado en la entrada del sistema y este se abrirá mientras un tiempo después el otro interruptor cerrara poniendo en marcha el generador de respaldo, en el momento que ocurre esta operación de conmutación se observa una sobretensión de maniobra.
Para la simulación de los efectos producidos por la maniobra de conmutación en baja tensión se utilizara el software de estudio de transitorios ATP-EMTP, esta herramienta permite simular la perturbación que ocurre en el momento que se realiza alguna maniobra en el sistema, observar y evaluar el comportamiento de este cuando esté protegido o no contra trasientes.
Limitaciones del Estudio
- Se consideran únicamente las sobretensiones producidas por operaciones de maniobra, en este caso se tomara la perturbación generada por conmutación de interruptores para la entrada de un generador de respaldo, ya que este es el caso de más ocurrencia en la práctica.
- Es necesario para simplificación del estudio asumir que los equipos externos de protección entre los cuales destacamos pararrayos, conductor bajante al sistema de puesta a tierra y el circuito de puesta a tierra se encuentren en óptimas condiciones. - Solo son consideradas perturbaciones que ingresan o circulan a través de la conexión
AC del sistema en estudio.
Objetivo General
Establecer un estudio en cuanto al grado de protección que ofrece la aplicación de TVSS frente a sobretensiones de maniobra en redes de baja tensión.
Objetivos Específicos
- Recopilar información referente a las sobretensiones transitorias orígenes y clasificaciones de acuerdo a su tipo de impulso, magnitud y duración; daños o consecuencias que estas sobretensiones pueden tener en ciertos equipos o materiales. - Establecer una metodología de estudio de sobretensiones transitorias, teniendo en
- Hacer una breve reseña de las tecnologías actuales de supresores de transientes, su funcionamiento durante el evento transitorio, algunos esquemas de conexión. Así como especificaciones típicas encontradas en catálogos con respectivos ejemplos. - Evaluar el grado de protección ofrecido por los TVSS y criterios de seleccion ante un
caso de estudio sometido a una sobretensión transitoria de maniobra.
Estructura del Informe de Grado
- Capitulo I. Reseña sobre que es una sobretensión transitoria sus orígenes, clasificaciones y sus consecuencias.
- Capitulo II. Se explican las sobretensiones de maniobra sus orígenes de acuerdo a estándares internacionales y distintos casos de ocurrencia.
- Capitulo III. Se describe el funcionamiento, tecnologías actuales y especificaciones de los TVSS, de acuerdo a estándares internacionales para su selección y aplicación a cualquier sistema.
-
Capitulo IV. Caso de estudio donde se evaluara el grado de protección brindado por el TVSS ante una sobretensión de maniobra, ante un sistema previamente protegido contra sobretensiones de origen atmosférico.CAPITULO I
SOBRETENSIONES TRANSITORIAS
En este capítulo se hablaran de conceptos básicos relacionados con sobretensiones transitorias, como sus orígenes impacto en equipos y características de acuerdo a su impulso magnitud y duración, así mismo se hará mención de estándares de acuerdo a la IEEE e IEC para asegurar la protección de los equipos en la instalación eléctrica.
1.1 Sobretensiones transitorias (2)
Una sobretensión se puede definir como una onda o impulso de tensión que se superpone a la onda de tensión nominal de la red, produciendo un gran aumento del valor eficaz de la tensión de la línea durante un periodo de tiempo muy corto (en el orden de μs/ms), tal como se observa en la figura 1.1.
2Figura 1.2 Características principales de sobretensión (2)
En la figura 1.2 se observa una representación de este fenómeno en el cual se puede destacar lo siguiente.
- El tiempo de subida (tf) es medido en μs (la velocidad de subida se mide en kA/μs). - Duración de la sobretensión (T), también medido en μs.
Debido a su naturaleza aleatoria y difícil predicción, estos fenómenos aparecerán en cualquier momento pudiendo inutilizar alguno de los equipos conectados, los cuales pueden tener un elevado valor económico, paralizar la producción de una fábrica con el costo que esto supone, destruir la instalación eléctrica o producir daños en las personas.
Estas sobretensiones transitorias tienen orígenes bien diferenciados: - Sobretensiones debidas a descargas atmosféricas.
- Sobretensiones debidas a maniobras en la red. - Sobretensiones debidas a descargas electrostáticas. - Sobretensiones temporarias.
Las sobretensiones atmosféricas, tal como su nombre indica, se deben a la caída directa o indirecta de rayos o descargas atmosféricas. Son menos habituales que las de maniobra (aproximadamente, el 20%), pero mucho más peligrosas, pues poseen valores de cresta mucho más elevados y una alta energía, pueden provocar tanto la destrucción de los equipos y aislamientos, envejecimiento prematuro y el mal funcionamiento de los mismos. [2]
Las sobretensiones de maniobra están causadas principalmente por conmutaciones de en las líneas, accionamiento de motores, dispositivos de mando, etc. Son las más habituales (el 75-80% de las sobretensiones transitorias). La sobretensión no es muy elevada, sin embargo al ser las más habituales también producen en la mayoría de los equipos un envejecimiento prematuro o un mal funcionamiento. [2]
Las sobretensiones debidas a descargas electrostáticas (ESD), se producen en un medio seco donde las cargas se acumulan creando un campo electrostático elevado. Estas sobretensiones son especialmente peligrosas para los equipos electrónicos, sin embargo no son objeto de estudio en este informe.
Por último las Sobretensión temporales ocurren a una frecuencia que va de los 10 Hz a los 500 Hz, con una duración relativamente larga (en el orden de los segundos). Una sobretensión de este tipo puede ser amortiguada o débilmente amortiguada. Ellas están asociadas principalmente a pérdida de carga, fallas a tierra y resonancia de diferentes tipos.
Las operaciones que producen más frecuentemente las sobretensiones temporales son: - Bote de carga.
- Operación de transformadores de forma desbalanceada. - Desconexión del lado de bajo voltaje de transformadores.
- Operación en condición de falla, especialmente cuando se tienen transformadores cercanos al interruptor.
1.2 Clasificación de sobretensiones transitorias
Las sobretensiones transitorias se clasifican en diversos grupos sin embargo para este estudio se clasifican en dos grupos, según su forma y según la duración del transitorio.
1.2.1 Según la forma de onda (1)
Esta caracterización es bastante relevante, ya que permite conocer rasgos importantes del fenómeno transitorio para su respectivo modelado y recreación en una simulación. Su clasificación se hace de acuerdo con el ámbito de frecuencias a la que ocurren y su clasificación en cuatro grupos.
- Grupo I: Oscilaciones de baja frecuencia.
Estos se encuentran dentro del tipo de transitorios de naturaleza electromecánica (interacción de energía eléctrica en el sistema y la energía cinética almacenada en la inercia de máquinas rotativas), el ámbito de frecuencias va de 0.1Hz a 3Hz y se representa principalmente como sobretensiones temporales.
- Grupo II: Frente lento.
El ámbito de frecuencias en las que se encuentran este tipo de transitorios van desde los 50/60 Hz hasta los 20 kHz. Forman parte de los transitorios por causas internas, y entre las mismas se reconocen la aparición y eliminación de fallas, la actuación de interruptores de potencia en subestaciones (las cuales son conocidas como sobre tensiones por maniobra).
- Grupo III: Frente rápido.
La duración de este tipo de transitorios varía de los 10 kHz a los 3 MHz y comprende componentes de muy alta frecuencia. La causa principal son las descargas atmosféricas, aunque también se pueden originar por maniobras en las que las distancias entre los equipos y el interruptor son muy cortas.
- Grupo IV: Frente muy rápido.
Son originadas generalmente por fallas y maniobras en subestaciones de SF6, su duración es del orden de los nanosegundos, y su frecuencia es generalmente superior a 1 MHz.
En la tabla 1.1 se pueden observar ejemplos gráficos de esta clasificación así como sus características principales, tales como duración tiempo de subida entre otros.
Tabla 1.1 Clasificación de transitorios según el tipo de sobretensión (1)1
1.2.2 Según la duración del transitorio (1)
Una de las consecuencias de los transitorios de naturaleza electromagnética (interacción de energía magnética entre elementos inductivos y capacitivo) en la red, es la magnitud y la duración de la sobretensión que provocan, de ahí es necesario que se realice igualmente una clasificación de acuerdo a estos parámetros.
En la figura 1.3 se puede observar una comparación del orden de magnitud y duración de cada sobretensión.
3Figura 1.3 Clasificación de sobretensiones (1)
1.3 Forma de ondas representativas y clasificación del ambiente eléctrico
El ambiente eléctrico en una estructura es caracterizado dependiendo de la dispersión de tensión y corriente a través del sistema eléctrico de la misma. Las normas IEC e IEEE describen estos ambientes a través de magnitudes y formas de ondas representativas de tensión y corriente con el fin de evaluar la capacidad de los equipos conectados al sistema eléctrico. A continuación se expone la clasificación propuesta por normas internacionales.
1.3.1 Formas de onda representativas por estándares de la IEEE (4) (5)
Los estándares IEEE C62.41.1 y C62.41.2 proponen dos tipos de ondas para la simulación de las perturbaciones producidas por la corriente de rayo en una instalación eléctrica, con el fin de observar la dispersión y propagación de la onda a través de las ramas del circuito, estas ondas son presentadas a continuación:
- Impulsos Atmosféricos: El impulso atmosférico es descrito mediante dos formas de onda; una de tensión con característica temporal 1.2/50μs y una onda de corriente con característica 8/20μs. Representa las perturbaciones transitorias a las que se encuentran sometidos los equipos que tienen acceso directo al ambiente exterior (medidores, tablero principal de distribución, etc.).
- Onda Oscilatoria (Ring Wave) de 100kHz: La onda oscilatoria de 100kHz
representa las variaciones que presenta el impulso atmosférico debido a su propagación a través del sistema eléctrico. Este tipo de perturbaciones son vistas por los equipos conectados a cierta distancia del tablero principal de distribución. Las características de estas ondas representativas se mostraran en el Anexo A.
La norma IEEE también propone formas de ondas adicionales que pueden ser aplicadas en estudios de casos especiales, entre ellas se encuentran:
- Tren de Pulsos: consiste en varios pulsos unidireccionales con característica temporal 5/50ns. Esta onda es usada para verificar la inmunidad de un equipo contra interferencias, no representa un ambiente que presente perturbaciones de tensión.
- Onda unidireccional 10/1000μs: el propósito principal de las pruebas realizadas usando esta forma de onda, es el de evaluar el desempeño del supresor de transientes cuando es sometido a perturbaciones con gran capacidad de entrega de energía.
1.3.2 Ambiente Eléctrico de acuerdo estándares de la IEEE (4) (5)
El ambiente en el que puede operar un equipo eléctrico varía ampliamente dependiendo de las especificaciones suministradas por el fabricante. Dicho ambiente puede cambiar en el tiempo en función de diversos factores como la ubicación geográfica y las estaciones del año, los cuales son considerados para determinar el nivel de exposición en que se encuentra el equipo.
- Nivel de exposición baja: Sistemas en áreas geográficas caracterizadas por baja actividad ceráunica.
- Nivel de exposición media: Sistemas en áreas geográficas distinguidas por tener alta o media actividad de rayos.
- Nivel de exposición alta: Nivel que tiene baja probabilidad de ocurrencia, y se refiere a condiciones que superan los niveles establecidos en las dos clasificaciones anteriores.
De acuerdo a la dispersión de las perturbaciones causadas por descargas atmosféricas a lo largo del sistema eléctrico, los estándares IEEE C62.41.1 y C62.42 definen tres categorías, partiendo desde la entrada de servicio eléctrico hasta las cargas más alejadas de dicho punto.
Teniendo en cuenta esto es de asumir que los equipos más cercanos a la entrada del servicio eléctrico son los más expuesto a sobretensiones y danos consecutivamente.
- Categoría C: Corresponde a la parte externa de la estructura, en donde se encuentran elementos como medidores, tableros de transferencia y tablero principal de distribución.
- Categoría B: Se encuentra entre la categoría A y C, corresponde a los circuitos conectados a la acometida principal que pueden incluir tableros de distribución internos en la instalación.
- Categoría A: Corresponde al circuito o a los equipos que se encuentran más alejados de la acometida (cargas finales o cargas sensibles).
En la figura 1.4 se puede observar la división de estas zonas mencionadas, y a su vez distintos equipos que pueden estar conectados.
4Figura 1.4 Ambiente eléctrico de acuerdo a la IEEE (4)
En la tabla 1.2 se muestran las características de las zonas expuestas en la figura 1.4 como equipos conectados y forma de onda correspondiente.
Tabla 1.2 Clasificación del ambiente eléctrico IEEE (4) 2
Categoría de localización
Equipos típicamente conectados Forma de onda correspondiente A Punto más alejado
de acometida.
Tableros de rectificadores. Cargas sensibles.
Onda oscilatoria (ring wave) de 100 kHz B Punto de entrada o
acometida.
Tableros de distribución internos.
Onda oscilatoria (ring wave) de 100 kHz e impulso atmosférico. C Exterior de la estructura (Alta o baja Exposición). Medidores tableros. Tableros de transferencia. Tablero principal de distribución.
1.3.3 Formas de onda representativas por estándares de la IEC (10) (13)
Según la norma IEC 62305-1, la corriente total producida por la descarga atmosférica (Irayo) es caracterizada por su valor pico (I), carga transferida (Q), energía específica (W/R) y característica temporal (T1/T2). En la Tabla 1.3 se muestran los valores estandarizados por la norma IEC de estos parámetros.
Tabla 1.3 Valores máximos de los Parámetros del rayo según IEC correspondiente al impulso positivo (13)3
Impulso Positivo Categoría de sobretensión Parámetros de Corriente Símbolo Unidad I II III IV
Valor de Cresta I kA 200 150 100
Carga de impulso Q C 100 75 50
Energía especifica W/R MJ/ Ω 10 5,6 2,5
Parámetro de tiempo T1/T2 μs / μs 10/350
Zona correspondiente al ambiente eléctrico I II III
La norma IEC 62305-1 propone dos formas de onda representativas a continuación. - Impulso corto con una duración menor a 2 ms (figura 1.6).
- Impulso largo con una duración mayor a 2ms (figura 1.7).
6Figura 1.7 Parametros del impulso Largo (13)
1.3.4 Ambiente Eléctrico de acuerdo estándares de la IEC
La norma IEC 62305, separa los efectos producidos por la descarga atmosférica de acuerdo al punto de impacto, estos pueden ser: directamente en las líneas de alimentación, en un punto del terreno lejano o cercano a la estructura y directamente en la estructura; estos casos de estudio son descritos a continuación.
- Descarga en las líneas de alimentación o en una zona lejana a la estructura. Cuando la descarga atmosférica incide directamente en las líneas de alimentación de la estructura o en un punto lejano a la misma, las perturbaciones transitorias ingresarán a la instalación a través de la conexión AC, por lo que es importante contar con dispositivos de protección contra transientes que atenúen la sobretensión a un valor que no produzca daños irreversibles en los equipos que se encuentran en la instalación, garantizando así buen funcionamiento luego de un evento de origen atmosférico.
- Descarga directa en la estructura bajo estudio o en un punto del terreno cercano a la misma.
De acuerdo a la norma IEC 62305, cuando la estructura de interés es impactada por una descarga atmosférica es recomendable para su protección, contar con un sistema de protección compuesto por:
o Punta Franklin: intercepta a la descarga atmosférica evitando la incidencia
de esta sobre antenas u otros equipos.
o Conductor bajante: provee un camino seguro hacia el sistema de tierra. o Electrodos de tierra: permiten la dispersión de la corriente producida por la
descarga atmosférica.
o Equipotencialización de los equipos y elementos conductores dentro y fuera
de la estructura.
La norma IEC 61643-12 introduce una clasificación del ambiente eléctrico considerando la presencia de TVSSs en la instalación, esta clasificación se encuentra asociada a una disminución de sobretensiones transitorias a lo largo de la instalación. Esta clasificación se divide de la siguiente forma:
- Clase I: Puntos de alta exposición a perturbaciones de origen atmosférico donde se recomienda la aplicación de SPDs capaces de soportar cierto impulso de corriente definido en los anexos de este informe en la Tabla B.1.
- Clase II: Puntos de la instalación sometidos a sobretensiones transitorias de mediana magnitud donde se recomienda la aplicación de supresores de transientes capaces de soportar impulsos de corriente de característica temporal 8/20μs. - Clase III: Puntos de baja exposición a perturbaciones de origen atmosférico donde
se recomienda la aplicación de SPDs capaz de soportar un máximo de tensión de característica temporal 1,2/50μs y su equivalente en corriente con característica 8/20 μs.
Es importante destacar que en esta clasificación la transición entre una categoría de sobretensión y otra no está especificada para un valor fijo de tensión, más bien se encuentra asociado a la presencia de protecciones contra transientes que disminuyen la corriente que fluye a través de los equipos eléctricos ubicados aguas abajo de estos dispositivos.
El estándar IEC 61643-11 recomienda una serie de valores normalizados de corriente y formas de onda representativas para la evaluación de supresores de transientes en el Anexo B.
En la figura 1.8 se muestra la clasificación del ambiente según los estándares del IEC
7Figura 1.8 Ambiente eléctrico de acuerdo a la IEC (13)
1.4 Consecuencias de sobretensiones transitorias
La influencia de las sobretensiones transitorias sobre los circuitos eléctricos y electrónicos puede llegar a causar su destrucción en caso extremo, pero también puede provocar fallos de funcionamiento en los equipos eléctricos y electrónicos conectados y resultar un peligro para las personas.
1.4.1 Efectos en los materiales (2)
Cuando una sobretensión aplicada a un material sobrepasa el nivel de aislamiento, se puede tener desde una degradación hasta destrucción del aislante o de los componentes que sean protegidos por el mismo, debido a esto si el material no se destruye, habrá un envejecimiento prematuro.
Las sobretensiones pueden provocar disparos importunos o problemas con algunos dispositivos de electrónica de potencia como tiristores, transistores o diodos, pudiéndose provocar cortocircuitos dentro de los equipos. Por lo tanto, los componentes pueden resultar dañados, ya sea directamente por la sobretensión, o indirectamente por el cortocircuito. El impacto de esta sobretensión es importante tanto en el ámbito doméstico como en el terciario/industrial, en la tabla 1.4 se muestran parámetros característicos complementarios asociados a las sobretensiones dependiendo su origen.
Tabla 1.4 Parámetros principales de los diferentes tipos de sobretensiones transitorias (2)4
Se observa en la tabla 1.4 las sobretensiones de maniobra tienen el menor tiempo de subida y velocidad de subida de tensión (dV/dt).
1.4.2 Exposición de equipos a perturbaciones (4) (5) (6)
Un equipo es vulnerable a las sobretensiones dependiendo de las vías de ingreso posibles tal como se muestra en la figura 1.9.
Figura 1.9 Vías de ingreso de perturbaciones en un equipo eléctrico (5)8
Un equipo eléctrico conectado a múltiples sistemas puede estar expuesto a numerosas señales de referencia a través de la conexión que posea, por esto al evaluar la operación de un equipo ante perturbaciones transitorias debe considerarse la ocurrencia de dicho evento en cada uno de las vías de ingreso. Es importante destacar que en este informe de grado sólo se consideran las perturbaciones que ingresan a través de la conexión AC de la instalación.
Por lo general los fabricantes de equipos electrónicos especifican una desviación máxima de tensión momentánea la cual puede percibir el equipo sin que esté presente errores continuos ni daño. La norma IEEE Std. 446 (1995) presenta una curva típica de tolerancia de equipos electrónicos ante variaciones de tensión en donde la condición transitoria depende de la magnitud de la tensión y de su duración.
En la figura 1.10 se muestra una gráfica de la tolerancia de tensión de los equipos electrónicos, se puede destacar que mientras la duración de la sobretensión sea menor, mayor será la tensión que soporte el equipo de interés. De acuerdo a la norma IEEE Std. 446 las tolerancias ante impulsos de tensión tienen una duración en el orden de los microsegundos y una magnitud alrededor del 500% de la tensión nominal.
9 Figura 1.10 Efecto de las Sobretensiones Transitorias en equipos electrónicos (6)
De acuerdo a la norma IEEE C62.41, los efectos asociados a la presencia de perturbaciones en la tensión de suministro de un equipo electrónico pueden ser:
- Sin daño: No se observan daños visibles físicos en el equipo por lo que se puede asumir que este puede soportar el nivel de sobretensión. Sin embargo el equipo puede sufrir a largo plazo consecuencias como degradación del desempeño o falla latente de algún componente o aislamiento.
- Trastorno: Puede ser auto recuperable por el software del equipo, por lo que la perturbación no se notará rápidamente. También puede ocurrir un trastorno permanente el cual requiera la intervención de un operador o la actuación de un programa luego de un tiempo de espera. Los trastornos pueden manifestarse de tres formas en un equipo:
Trastorno menor: Pérdida de funcionalidad aceptable, pero el equipo no opera con fallas.
Trastorno Mayor: Funcionamiento defectuoso temporal (auto recuperable). Trastorno Crítico: Funcionamiento defectuoso que requiere la intervención de un operador ó reset del sistema.
- Daño: Puede ocurrir sin ser detectado a menos que se realice una evaluación especial a la condición del equipo.
- Daño consecuente: Pueden ocurrir debido a trastornos en el hardware, incluye la posibilidad de que el equipo sometido a sobretensiones transitorias pueda causar daño a equipos adyacentes.
La norma cabe comentar no ofrece una gama de valores sino una gráfica (figura 1.7), en la que de acuerdo a la frecuencia y tensión nominal de operación del equipo durante la sobretensión es posible verificar si sufre algún daño.
1.4.3 Capacidad de los equipos eléctricos ante impulsos de tensión (3)
El estándar IEC 60664-1 introduce un concepto de categorías de sobretensiones con el fin de clasificar a los equipos que se alimentan directamente de la red eléctrica según la capacidad de soporte del aislamiento de los mismos ante impulsos de tensión, estas son:
- Categoría IV: Corresponde a equipos usados en el origen de la instalación. - Categoría III: Corresponde a equipos usados en instalaciones internas fijas.
- Categoría II: Corresponde a los equipos eléctricos conectados directamente a las instalaciones internas fijas.
- Categoría I: Corresponde equipos con componentes electrónicos que poseen internamente protección contra sobretensiones.
Como regla general, los equipos a ser protegidos deben estar dentro de una zona acorde a las características de sobretensión que pueda soportar el aislamiento del dispositivo es decir, la magnitud de las perturbaciones deben ser menor al impulso nominal de tensión que soporta un equipo en cada categoría, tal como se muestra en la Tabla 1.5, por lo que la sobretensión debe estar limitada a un nivel adecuado para cada zona.
Tabla 1.5 Impulso Nominal de tensión para equipos alimentados directamente de la fuente de baja tensión (3)5 Tensión nominal del sistema de
alimentación Tensión L-N Impulso nominal de tensión según la categoría de sobretensión (AC o DC)
Trifásico (V) Monofásico (V) I (V) II (V) III (V) IV (V)
50 330 500 800 1500 100 500 800 1500 2500 120 - 240 150 800 1500 2500 4000 230/400 300 1500 2500 4000 6000 277/480 400/690 600 2500 4000 6000 8000 1000 1000 4000 6000 8000 12000
CAPITULO II
SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
En este capítulo se destacaran aspectos básicos de acuerdo a estándares de la IEEE e IEC acerca de las sobretensiones transitorias de maniobra su origen así como su estudio mediante un el análisis de un circuito RLC.
2.1 Sobretensiones por Maniobra. (5)
Las sobretensiones de maniobra son el resultado de acciones intencionales en el sistema eléctrico ya sea la conmutación de carga o de capacitores. También pueden ser producto de eventos inintencionados tales como fallas en el sistema o despeje de las mismas
2.2 Origen de sobretensiones por maniobra (4)
Según la norma IEEE C62.41.1, en la mayoría de los casos, una operación de conmutación, despeje del sistema tras una falla u operaciones de interrupción de cualquier tipo en un instalación eléctrica, es seguida por un fenómeno transitorio en donde pueden ocurrir picos de sobrevoltaje, el cambio súbito puede iniciar una serie de oscilaciones amortiguadas con alta frecuencia (determinadas por las frecuencias de resonancia de la red), hasta que el sistema se estabilice a su nuevo estado estable.
Las magnitudes de estas sobretensiones dependen de muchos parámetros tales como. - Tipo de circuito.
- Tipo de maniobra o conmutación (Apertura, cierre, reencendido). - Tipo de dispositivo de conmutación o fusible.
Los transitorios asociados a maniobras se pueden dividir en operaciones normales u operaciones anormales.
2.2.1 Operaciones normales
La operación de interruptores es muy común en un sistema eléctrico, las cuales aún sean realizadas bajo propósitos intencionales, pueden tener inevitables e involuntarios efectos secundarios los cuales se traducen en picos de voltaje y corriente. A continuación se describiran ejemplos de estas operaciones y sus efectos secundarios
- Conmutación
Tales como apagados y encendido aleatorio de electrodomésticos caseros o desconexión de cualquier carga individual. Estos fenómenos no son tan severos, sin embargo pueden causar perturbaciones en los equipos que tengan un bajo umbral de detección.
- Muescas de voltaje
Ocurren en cada ciclo durante la conmutación en convertidores electrónicos de potencia, este fenómeno es ocasionado por un cortocircuito fase-fase momentáneo por el cambio brusco de voltaje, con una duración del rango de los 100µs. Este fenómeno puede interferir con algunas cargas electrónicas, sin embargo no está dentro del área de ser considerado como “pico de voltaje”, en la figura 2.1 se puede observar un ejemplo de este fenómeno.
Figura 2.1 Muescas de Voltaje 10
Fenómeno común en los contactores de aire o interruptores de mercurio en los que la múltiple operación de encendido puede incrementar abruptamente el nivel de tensión, produciendo picos de voltaje con formas de onda compleja y amplitudes seriamente mayores al voltaje del sistema.
- Conmutación mayor.
Comprende componentes importantes como bancos de capacitores, transformadores, líneas entre otros, los fenómenos transitorios asociados al libre reencendido de equipos como bancos de capacitores en sistemas eléctricos pueden tener niveles de hasta dos veces la magnitud del voltaje nominal, si están instalados en redes de bajo voltaje puede magnificarse más aun este fenómeno, la figura 2.2 puede observarse el fenómeno de reencendido. [4]
2.2.2 Operaciones anormales
Condiciones anormales o involuntarias en el sistema que pueden producir sobrepicos y a su vez los correctivos para dichas anomalías pueden producir efectos secundarios que también pueden traer consigo sobretensiones, ejemplos de estas condiciones son las siguientes.
- Fallas por arco eléctrico
Las fallas pueden generar altas temperaturas y presiones, acelerando la carbonización del material aislante haciendo más progresivo el paso a una falla fase-fase.
- Apertura y cierre de interruptores
El despeje de fallas por fusibles limitadores de corriente o interruptores de rápida actuación, son capaces de cortar las corrientes antes de su cruce por cero (recordando que el voltaje es función de la derivada de esta corriente en función del tiempo dI/dt=V, existirá un sobrevoltaje mientras que la corriente no sea interrumpida por el cruce por cero de la onda).
2.3 Método de estudio de sobretensiones de maniobra mediante circuitos RLC (4)
Cualquier sistema o circuito eléctrico puede ser visto como una composición de elementos resistivos capacitivos e inductivos y fuentes de alimentación.
Para ilustrar mejor como surgen, funcionan y los aspectos fundamentales de esta sobretensión se utilizara el ejemplo de un circuito RLC (al cual a la final se reducen todos los casos de ocurrencia de estas sobretensiones).
En la figura 2.3 se muestra un circuito RLC donde la carga es conmutada mediante un interruptor y a continuación se muestran las figuras de las sobretensiones típicas asociadas a esta operación. La frecuencia y numero de oscilaciones de este transitorio está determinado por las características del circuito como lo son la inductancia, capacitancia y resistencias asociadas en el sistema de potencia, típicamente estos transitorios suelen estabilizarse en un ciclo [4]. El pico de voltaje de este transitorio a su vez depende tanto de los valores característicos del sistema (capacitancia, inductancia, resistencia) como el voltaje del mismo al momento de su ocurrencia.
Figura 2.3 Generación de un sobrevoltaje mediante la operación de un circuito RLC (4) 12
La ecuación de segundo orden asociada con este tipo de circuito es la siguiente.
En donde, Vf= voltaje de la fuente; L= inductancia; C= capacitancia; Rt= resistencia total; Vc= voltaje en el capacitor.
Ahora para escribir las soluciones asociadas primero se definira
√ √
Donde = frecuencia de resonancia, = frecuencia natural y dependiendo del valor de tendremos 3 tipos de respuesta
Si >1 la respuesta será sobreamortiguada, de la forma.
√ ( ) √ ( )
Si <1 la respuesta será subamortiguada, de la forma.
Si =1 la respuesta será críticamente amortiguada, de la forma.
En la figura 2.4 se puede observar la respuesta grafica característica en cuanto a su amplitud para respuesta amortiguada, sobreamortiguada o críticamente amortiguada.
El máximo pico es determinado por el instante de cierre del interruptor en relación del voltaje en la fuente del sistema como es mostrado en la figura 2.5. El mayor voltaje a alta frecuencia ocurre generalmente cuando el interruptor es cerrado en su mayor pico de amplitud de voltaje tal como se muestra en la figura 2.6.
Figura 2.5 Cierre 2 ms después del cruce por cero de la fuente (4).14
En la mayoría de los casos el sobrevoltaje máximo está en el orden del doble de la amplitud pico del sistema tal como se muestra en la figura 2.5 [4] además de esto comparando las figuras 2.5 y 2.6 con la figura 2.4 se puede observar que el tipo de respuesta típico en estos fenómenos transitorios es del tipo subamortiguado u oscilatoria. No obstante pueden ocurrir valores más elevados, especialmente en la operación de apertura o cierre de cargas inductivas (motores, transformadores) o también cargas capacitivas (banco de capacitores en baja tensión).
Figura 2.6 Cierre en el instante cercano al pico de la fuente (4) 15
La frecuencia de oscilación durante operaciones de conmutación es determinada por las características del sistema (inductancia, capacitancia, resistencia), por lo que en algunos casos puede darse el fenómeno de resonancia y con sobretensiones temporales. La forma de onda de estos picos es determinada por la respuesta de las instalaciones de bajo voltaje. Esta situación por lo general da como respuesta la onda oscilatoria (ring wave) mostrada en las figuras 2.4 y 2.5, cuyo valor de frecuencia puede llegar de los 100 kHz hasta 1 MHz.
La frecuencia de oscilación de estos circuitos viene dada por las siguientes expresiones:
√ √
En las figuras 2.7 el efecto en la onda oscilatoria al variar la capacitancia, mientras en la figura 2.8 se observa el efecto del aumento de la resistencia.
16Figura 2.7 Efecto en la frecuencia de oscilación en un circuito RLC al disminuir solo la Capacitancia
CAPITULO III
FUNCIONAMIENTO Y ESPECIFICACIONES DE LOS SPD
En este capítulo se describe brevemente el funcionamiento de los SPD existentes, etapas básicas de su operación durante una sobretensión, clasificación de los mismos de acuerdo a su funcionamiento interno; así como criterios de selección recomendados por normas internacionales para la aplicación de los mismos en la protección de una instalación eléctrica.
También se detallan las especificaciones que poseen los SPD diseñados y construidos bajo normas americanas y europeas, las cuales dependen de las perturbaciones a las que se espera sea sometido el equipo al proteger.
3.1 Supresores eléctricos (12)
Se puede definir un supresor eléctrico (SPD) como un dispositivo de protección contra sobretensiones en sistemas eléctricos de baja tensión, principalmente se ocupan de limitar los pulsos de sobrevoltaje drenándolos a tierra (lejos del equipo) para así poder llevar el voltaje a un nivel seguro, evitando asi un daño al equipo eléctrico. Estos equipos en condiciones normales poseen un muy bajo consumo de corriente por lo que no afectan el funcionamiento de los equipos que esten protegiendo. [12]
3.1.1 Funcionamiento de un SPD (8)
Supondremos el SPD ideal, el cual será visto como una caja de contenido desconocido conectada tal como se muestra en la Figura 3.1 esta caja poseerá una alta impedancia para así no interferir con el funcionamiento de la instalación.
Figura 3.1 Funcionamiento de un SPD ideal en estado inoperativo (8) 18
En el momento de la sobretensión provoca una disminución de su impedancia, lo cual permite al SPD drenar la corriente asociada a la sobretensión a tierra tal como es mostrado en la figura 3.2.
Figura 3.2 Funcionamiento de un SPD ideal en estado operativo (8) 19
3.2 Tipologías de SPD (8)
Dentro la gama actual de tecnologías actuales de SPD se pueden encontrar 2 grandes grupos y una última que es la combinación de las 2 anteriores, los símbolos usados normalmente para denotar estos dispositivos se muestran en la figura 3.3.
- Tipo crow bar o descargadores de gas también conocidos como GDT (Gas Discharge tube).
- Tipo Clamp o Varistores conocidos como MOV’s (Metal Oxide Varistor).
- De tipo combinado, es obtenido conectando en serio o paralelo los tipos antes mencionados.
Figura 3.3 Diferentes familias de SPD con sus respectivos símbolos técnicos (8) 20
3.2.1 Tipo “crow bar” o descargadores de gas (12) (14)
Este dispositivo se basa en el cambio brusco de impedancia, en cual puede pasar de un estado de no conducción (alta impedancia) a uno de conducción (baja impedancia), siempre que el sistema llegue a un umbral de sobrevoltaje determinado; una vez ocurrido este evento y el dispositivo empieza a conducir la corriente, esta continua circulando por el mismo hasta que la corriente cruce por cero, tal como se ve en la figura 3.4.
Entre sus ventajas tenemos, bajo nivel de capacitancia característica aprovechada en la protección de equipos de telecomunicaciones.
Tienen la desventaja de que toman relativamente un tiempo largo en actuar, pudiendo permitir ciertos picos de voltaje pasar antes que el dispositivo pueda conducir cierta cantidad de corriente y actuar.
Figura 3.4- operación de supresor tipo crow bar (14) 21
3.2.2 Tipo “clamp” o varistores (14)
Estos dispositivos basan su funcionamiento en el uso de resistencias no-lineales (varistores), los cuales conducen pequeñas cantidades de corriente en la ausencia de sobretensiones en el sistema. Cuando aparecen estas perturbaciones el dispositivo varia su impedancia con el fin de conducir corriente de acuerdo a la magnitud de la sobretensión así limitar el voltaje de la carga a un valor fijo, la característica voltaje corriente se muestra en las figuras 3.5 (grafica lineal) y 3.6 (grafica logarítmica).
Entre las tecnologías usadas en este tipo de dispositivos podemos encontrar los MOV’s (metal oxide varistor, varistor de óxido metálico), entre sus ventajas esta la capacidad de conducir gran cantidad de corriente además de poseer un buen precio en relación a su buen desempeño.
Figura 3.5 Operación supresor tipo clamp (grafica V vs. I lineal) (14) 22
23 Figura 3.6 Operación supresor tipo clamp (grafica V vs. I logaritmica)
3.2.3 Tipo combinado (15)
Son supresores que incorpora componentes tipo clamp como crow bar, operaran limitando tensión de supresión, interrumpiendo la tensión durante el transitorio o puede combinar ambas funciones dependiendo de la característica de la tensión aplicada, ciertos configuraciones de estos dispositivos se muestran en la figura 3.7
Figura 3.7 Dispositivo multietapas 24
3.3 Selección y coordinación de supresores (4) (10) (11)
A continuación será presentaran criterios para seleccionar e instalar un SPD, para esto es recomendable hacer una evaluación de la instalación eléctrica donde el dispositivo de protección podría estar conectado y de la carga que se desea proteger. Esta evaluación consiste en verificar los siguientes puntos:
a) Tipo de instalación eléctrica; esta es caracterizada básicamente por el tipo de sistema de puesta a tierra, tensión nominal y por la configuración del sistema eléctrico.
b) Regulación de tensión que ocurre normalmente en el sistema eléctrico debido a los cambios que pueden ocurrir en las cargas conectadas.
La regulación de tensión que percibe la instalación eléctrica bajo estudio, permite seleccionar la máxima tensión de operación continua (MCOV o Uc) del supresor que debe ser mayor a la máxima tensión que puede presentarse normalmente en el sistema eléctrico. Esta tensión seleccionada debe estar por encima de la regulación de tensión de la instalación en estudio (19) (20) (21).
Una vez conocida las características del sistema eléctrico a proteger, se procede a seleccionar el supresor considerando los siguientes criterios de acuerdo a la norma IEC 62305, estos son:
- Mientras más cerca se encuentre instalado el SPD a la entrada de servicio, mayor será la cantidad de equipos protegidos por el supresor.
- Mientras más cerca se encuentre el SPD a la carga a de interés, más efectiva será la protección.
De acuerdo a los puntos del sistema en donde se desea instalar el SPD y al estándar bajo el cual fue especificado el equipo de protección, se puede seleccionar la clase o categoría del supresor.
En la Tabla 3.1 se muestra el tipo de supresor que se debe instalar de acuerdo al punto del sistema donde se desee aplicar y también de acuerdo al estándar bajo el cual el equipo fue especificado sea IEEE o IEC.
Es importante resaltar que la norma IEEE C62.72 (2007), menciona que debe existir una distancia determinada entre una categoría de sobretensión y otra al momento de instalar SPD; la distancia propuesta por esta norma es de 10 metros (ya que esta distancia garantiza que las oscilaciones o forma de onda se alteren para pasar a la etapa subsiguiente), no obstante esta distancia puede varias de acuerdo a la naturaleza de la carga a proteger, por lo que es recomendable doblar la distancia o usar un SPD correspondiente a la misma categoría de sobretensión.
Por otro lado los estándares de la IEC indican que la transición entre una categoría de sobretensión y otra viene dada por la presencia de dispositivos de protección contra transientes que disminuyan el nivel de tensión a un valor que no produzca daños en los equipos instalados aguas abajo del TVSS.
Tabla 3.1 Clasificación del TVSS de acuerdo al punto de instalación en el sistema eléctrico y a la norma bajo la cual este fue especificado (14) 6
Considerando los criterios antes mencionados y la clasificación de los supresores de acuerdo a las normas bajo los cuales fueron especificados, se establece el siguiente procedimiento para la selección y aplicación de supresores de transientes en la instalación de interés.
Se deben conocer las siguientes características de la instalación:
- Ubicación geográfica (niveles de humedad, nivel ceraunico, temperaturas entre otros).
- Configuración del sistema (estrella o delta) - Numero de hilos
- Tensión nominal de operación (así encontrar la regulación de tensión).
- Máxima Tensión esperada en condiciones normales de operación (sabiendo esto podemos seleccionar el MCOV (IEEE) o Uc (IEC).
De acuerdo al estándar al cual fue especificado el supresor a usar (IEEE o IEC) se selecciona la clase, para el caso del estándar IEC clase I y para el caso de IEEE clase C; esto para instalarse lo más cerca posible del origen de la instalación.
Una vez colocada la protección en el origen de la instalación, se verifica que la carga de interés perciba un nivel de tensión menor a su umbral de daño (500%Vnominal), de no cumplirse esta condición se procede a proteger la misma en un punto cercano, teniendo en cuenta que de acuerdo a la IEEE el supresor siguiente debe obedecer un criterio de distancia y de acuerdo a la IEC obedece un criterio de transición entre categorías por la presencia de dispositivos adicionales aguas arribas que atenúan la sobretensión aguas abajo.
Se puede considerar la aplicación de un supresor híbrido cuando:
- La etapa de protección adicional se encuentra muy cercana al SPD instalado aguas arriba del mismo.
- La etapa de protección adicional se encuentra dentro de la misma categoría de sobretensión que la etapa instalada previamente.
3.4 Especificaciones de los supresores según estándares del IEEE (11)
Los dispositivos para protección contra sobretensiones diseñados bajo normas IEEE, son clasificados conforme al ambiente eléctrico en el que se desean ser instalados y a las perturbaciones se espera el mismo sea sometido.
Esta caracterización del ambiente se establece de acuerdo a como se propagara la sobretensión producida, definidas con forma de onda con magnitud especifica; estos equipos dada esta clasificación pueden ser de categoría A, B o C.
Las especificaciones comúnmente suministradas por los fabricantes bajo estos estándares son las siguientes.
-Modos de protección: Son los caminos eléctricos en donde el SPD ofrece protección contra sobretensiones transitorias, este parámetro depende de la configuración de la instalación eléctrica y de la carga a proteger. Los modos de protección pueden ser: línea-línea, línea-tierra, línea-neutro y neutro-tierra.
- Máxima tensión de operación continua (MCOV): Indica el valor de tensión RMS que puede ser aplicado continuamente en los terminales del supresor.
- Tensión de supresión o tensión residual (VPR): Se refiere a la tensión que aparece en los terminales del dispositivo de protección cuando se le aplica un impulso de prueba de 3kA con característica temporal 8/20μs.
- Corriente nominal de descarga (In): valor de cresta de una corriente de forma de onda 8/20 que circula por el interior del limitador.
- Corriente máxima de descarga (Imax): Indica el valor máximo de la cresta de corriente que puede circular a través del SPD de forma segura sin dañarse.
- Capacidad de cortocircuito: Indica la máxima corriente de cortocircuito que puede circular a través del supresor, la misma puede ser limitada a través de un equipo de protección contra sobrecorrientes interno o externo al supresor, que restrinja la magnitud de la corriente a un valor manejable por el SPD. En el caso en que la corriente de cortocircuito supere al valor máximo de corriente de falla que puede soportar un supresor, se producirán daños en el equipo que podrían extenderse a elementos adyacentes incluyendo a la protección contra sobrecorrientes.
En las figuras 3.9 y 3.10 se encuentran ejemplos de catálogos de diferentes fabricantes en los cuales se ofrecen especificaciones de acuerdo a los estándares del IEEE.
Figura 3.10 Supresores tipo Crow bar o descargadores, Triggered Spark Gap oTSG de la serie 1130 (16) 26
3.5 Especificaciones de los supresores según estándares IEC (15) (10)
A continuación se expones las especificaciones frecuentemente suministrada por los fabricantes que se basan en las normas IEC:
- Tensión Nominal (Un): Se refiere a la tensión de operación de la instalación eléctrica.
- Tensión de operación continua (Uc): Máxima tensión eficaz o en corriente continua que puede ser aplicada de forma continua al SPD, la misma es igual a la tensión asignada.
- Impulso de corriente (Iimp): Se refiere a la porción del impulso de corriente producido por la descarga atmosférica que conduce el supresor de transientes sin deteriorarse o destruirse. Este impuso esta entre los 10/350 μs y este parámetro es aplicable solo a supresores tipo I.
- Tensión de circuito abierto (Uoc): Es la tensión a circuito abierto con característica 1.2/50μs en circuito abierto y 8/20 μs en cortocircuito, solo aplicable a supresores de tipo III.
- Nivel de protección (Up): Es un parámetro que caracteriza la capacidad del supresor de limitar la tensión entre sus bornes, este valor es seleccionado de una lista de valores preferentes y el mismo debe ser superior que el valor mas elevado de tensión límite del sistema medida.
- Corriente máxima de descarga (Imax): Se refiere al máximo valor de la cresta de corriente que puede circular a través del SPD de forma segura es decir, sin ocasionar daños nidegradación en el equipo de protección. Este parámetro es determinado usando un impulso de corriente con forma de onda 8/20 μs.
- Corriente nominal de descarga (In): valor de cresta de una corriente de forma de onda 8/20 que circula por el interior del limitador.
- Corriente de cortocircuito (Ip): Es la máxima corriente de falla que puede soportar el equipo de protección. Este valor debe ser mayor a la corriente de cortocircuito esperada en el punto del sistema donde se desea instalar el SPD.
- Modos de protección: Son los caminos de protección que ofrece el supresor de transientes. Estos pueden ser: línea-línea (L-L), línea-neutro (L-N), neutro-tierra (N-T) y línea-tierra (L-(N-T).
En las siguientes figuras 3.11 y 3.12 se encuentran ejemplos de catálogos de diferentes fabricantes en los cuales se ofrecen especificaciones de acuerdo a los estándares del IEC.
Figura 3.11 Supresor tipo clamp o varistor, Supresor Tipo I+II+III AC DS250VG series, fabricado por CITEL (19) 27
Figura 3.12 Supresor tipo Crow bar o descargador, Supresor FLT-CP-N/PE-350, fabricado por Phoenix Contract (18)28
CAPITULO IV
CASO DE ESTUDIO: NIVEL DE PROTECCION CONTRA SOBRETENSIONES DE MANIOBRA.
En siguiente capítulo se expondrá y utilizara una aplicación de TVSS de un estudio anterior a este informe [14] en el cual utilizando un esquema de protección y conexión de supresores en una simulación en el software ATP-EMTP fue verificada la protección del sistema ante descargas de origen atmosférico; ahora bien haciendo una modificación topológica del sistema en estudio se simulara una perturbación causada por una maniobra la cual consistirá en la entrada de un generador de respaldo.
Adicionalmente en el Anexo D de este informe está incluido un estudio de sobretensiones de maniobra generadas por la entrada de un banco de capacitores al sistema.
4.1 Descripción del Caso de estudio original
Sera expuesto el caso de estudio original en 2 fases, una sin esquemas protección para observar el efecto de la sobretensión de origen atmosférico en el mismo y otra con los esquemas de conexión de supresores de transientes para la protección de descargas de origen atmosférico
4.1.1 Caso de estudio original sin protecciones (14)
Este sistema está alimentado en la entrada por los bornes de baja tensión del transformador, seguidamente un conductor de 2 metros de longitud el cual conecta con el tablero de transferencia principal (ATS); el mismo está conectado por un conductor de 3 metros a un tablero de rectificadores o cargas sensibles (TR) En la figura 4.1 se muestra el diagrama unifilar del Caso de estudio original.
Figura 4.1- Diagrama unifilar Caso de estudio original (14)29
A continuación en la figura 4.2 se muestra el modelo de simulación en el software ATP para verificar la perturbación de la sobretensión atmosférica que ingresa al sistema a través del suministro eléctrico
Figura 4.2- Modelo de simulación del caso de estudio previo original (14) 30
A través del modelo presentado en la Figura 4.2 se determinó que la sobretensión que perciben los rectificadores instalados en el tablero TR, se encuentra en el orden de los MegaVoltios, por lo cual los equipos de esta instalación estén expuestos a daños que afectan su funcionamiento permanentemente. Esta sobretensión es mostrada en la figura 4.3
