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Consideraciones de Aplicación de Supresores con Generadores y Transferencias Automáticas

Introducción

El objetivo de este trabajo es abordar al tema de cómo aplicar correctamente los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) a los sistemas mediante interruptores de transferencia automáticos y generadores y para evitar errores comunes asociados con la aplicación de protección contra sobretensiones para estos sistemas. SPDs se utilizan ampliamente en prácticamente todos los sistemas eléctricos modernos. El uso de electrónica y controles computacionales en casi cada aspecto de industrial, comercial, institucional y aplicaciones residenciales hace una necesidad de la protección contra sobretensiones. Sin embargo, un uso incorrecto de supresión de picos puede resultar en rendimiento sub-óptimo y reducida vida SPD.

¿Cuál es el propósito de un dispositivo de protección contra sobretensiones?

El propósito de un SPD es proteger dispositivos eléctricos y electrónicos de daños y degradación debido a transitorios de corta duración y alta energía. Los transitorios de voltaje típicos tienen una duración de microsegundos a unos pocos milisegundos. IEEE C62.41.2 describe una serie de formas de ondas transitorias que pueden encontrarse en un sistema eléctrico. De rangos de magnitud hasta 10 kV,10 kA con una duración típica de 20 microsegundos.

Los sobrevoltajes sostenidos, también llamados sobretensión temporal (TOV), es otro evento de calidad de energía. Un TOV es una sobretensión que dura en uno o más ciclos, alrededor de unos 17 milisegundos en un sistema de 60 Hz. Estos TOV’s tienen una magnitud mucho menor, 1.7 a 3 veces la tensión nominal del sistema, pero una duración mucho más larga, de unos pocos segundos a muchos minutos comparados con un transitorio de voltaje.

Mientras que el SPD hace un excelente trabajo de mitigación de transitorios de voltaje, no están diseñados para proporcionar regulación de voltaje continua. Cuando un SPD es sometido a una sobretensión sostenida, hay un verdadero peligro de que el SPD entre en una fuga térmica y quede permanentemente dañado. Los supresores modernos que han pasado la prueba de UL 1449 4ta edición no deberían plantear ninguna amenaza externa de daños incluso cuando está expuesto a un sobrevoltaje sostenido. Cuando se expone a un sobrevoltaje sostenido, el SPD debe desconectarse de forma segura por sí mismo del circuito.

¿Qué es fuga térmica?

Una fuga térmica describe una condición donde un incremento de temperatura provoca una condición que aumenta aún más la temperatura y puede terminar rápidamente a la destrucción del dispositivo. El elemento principal de un SPD es el varistor de óxido metálico (MOV). Un MOV es un dispositivo no lineal que tiene una impedancia muy alta cuando el voltaje aplicado está por debajo de la tensión de umbral y una baja impedancia cuando el voltaje aplicado está por encima del voltaje umbral. Un aumento en el voltaje más allá de su umbral provoca un aumento en el flujo de corriente que, a su vez, provoca un incremento en la temperatura del MOV. El MOV que ve que un aumento en la temperatura disminuirá en impedancia, provocando un aumento en el flujo de corriente que conduce a la condición de fuga térmica rápidamente. Un MOV puede rápidamente y con seguridad recuperarse de un transitorio de voltaje de corta duración; sin embargo, cuando un MOV es sometido a un sobrevoltaje sostenido, el MOV entra en fuga térmica ya no puede recuperarse.

Sobrevoltajes en generadores

Los sobrevoltajes en los generadores pueden ocurrir por varias razones:

  • Rebalse de arranque inicial
  • Pobre regulación de voltaje
  • Cambios abruptos de carga
  • Fallas a tierra monofásicas
  • Falla del control de excitación
  • Sobre-velocidad

La fuga térmica, como se describió anteriormente, puede tener un efecto devastador en los MOV’s en cuestión de unos pocos ciclos. La energía obtenida de las compañías eléctricas normalmente tienen buena regulación de voltaje debido al gran tamaño de sus generadores, o por el uso de múltiples generadores, versus el tamaño relativo de las cargas individuales. Los generadores de las compañías eléctricas cuentan con reguladores muy precisos y sistemas de protección sofisticados para asegurar que el voltaje se mantiene dentro de una banda muy estrecha, hasta por duraciones de varios ciclos.

Los generadores de reserva o generadores de emergencia, sin embargo, suelen tener una pobre regulación de voltaje. El voltaje durante el arranque inicial y durante las etapas de cambio de carga son ejemplos comunes. También, por consideraciones de costo, muchos reguladores de voltaje no regulan bien en el corto plazo, por ejemplo, lapsos de ciclos a segundos. Los generadores de reserva o sistemas de emergencia están diseñados con el propósito de mantener cargas críticas, tales como iluminación de emergencia, bombas y cargas críticas, operando “pase lo que pase” donde la calidad de energía queda como una consideración secundaria.

No es poco común que las fluctuaciones del voltaje de un generador típico de reserva supere los límites de la curva de daño del voltaje de un SPD (véase “Especificación de una unidad supresora para generadores”). El fallo de un SPD debido a un sobrevoltaje sostenido normalmente no está cubierto por la garantía de los fabricantes, ya que claramente esta fuera de los parámetros de funcionamiento para el cual fue diseñado un SPD.

Recomendaciones para SPD’s cuando se utiliza en sistemas de emergencia

El Código Eléctrico Nacional 2014, articulo 700.8, define sistemas de energía de emergencia como sistemas legalmente requeridos para alimentar automáticamente cargas designadas en caso de pérdida de energía normal. El código solicita un SPD certificado para instalarse en todos los paneles de distribución de sistemas de emergencia.

  1. Asegúrese de que el generador es suficientemente dimensionado. Tenga en cuenta cualquier motor u otra carga que tenga una alta corriente de arranque. Los motores eléctricos demandan típicamente 6 a 10 veces su corriente a plena carga cuando arrancan. Asegúrese de que su generador es del tamaño suficiente para manejar el arranque de estos motores. Un generador subdimensionado es propenso a severos sobrevoltajes cuando los motores son iniciados para luego tener una sobretensión cuando los motores alcanzan su velocidad operativa. La mayoría de fabricantes de generadores ofrecen software que le ayudarán a dimensionar el generador correctamente.
  2. Invertir en un regulador de voltaje de alta calidad para el generador. Los gobernadores mecánicos y reguladores electrónicos de bajo costo pueden ser una opción tentadora en aplicaciones sensibles al costo; sin embargo, los efectos a largo plazo del daño en los SPD’s y otros equipos por sobrevoltajes sostenidos a menudo rápidamente superan el ahorro de costos de un regulador de baja calidad y costo.

Especificando un SPD para generadores

  1. Eaton recomienda instalar el siguiente código de voltaje para el SPD en o en todos los equipos eléctricos de emergencia trifásicos para mejorar la confiabilidad de los sistemas de energía de emergencia.
    Las unidades con los códigos de voltaje en la tabla anterior son capaces de soportar continuamente el voltaje nominal línea a línea del sistema en el modo de línea a tierra. Como tal, el modo de línea a tierra puede operar a través de los eventos típicos del sistema de voltaje de emergencia que podría causar la fuga térmica en unidades con otros códigos de tensión.
  2. Eaton recomienda que se especifique el rango de kA de la unidad SPD por las categorías de ubicación como se indica en el último estándar IEEE C62.41.1. La mayoría de los equipos de sistemas de emergencia fallan bajo la categoría de localización B. Estos SPD deben tener una clasificación mínima en kA de 80 kA a 160 kA por fase. La clasificación de kA real puede ajustarse dependiendo de las condiciones del lugar.
  3. UL define la corriente nominal de descarga como el valor pico transitorio en 8/20 microsegundos conducida a través del SPD. El voltaje pasante no puede variar más del 10% después de 15 transitorios aplicados al SPD durante la prueba de la UL. Eaton recomienda una corriente nominal de descarga mínima de 20 kA. Esta es la corriente nominal de descarga más durable y reconocida para un SPD según la norma UL 1449.
  4. NFPA 70 versión 2014 en su artículo 700.8, requiere un SPD certificado para instalarse en o en todos los sistemas de distribuidores de emergencia para proteger las cargas “aguas abajo”.

Conclusión

Los SPD’s ofrecen muchas ventajas positivas que pueden prevenir de forma exitosa daños e perturbaciones de los dispositivos eléctricos y electrónicos. Por NFPA 70 versión 2014, artículo 700.8, se exige instalar un SPD certificado para instalarse en o en todos los sistemas de distribuidores de emergencia (“Panelboards & Switchboards”). Las recomendaciones de Eaton para especificar un SPD en generadores son pensadas con el fin de mejorar la confiabilidad de los sistemas eléctricos de emergencia. Para edificaciones nuevas, la integración de SPD en tableros tipo “panelboards” y “switchboards” proporciona la solución más confiable con un desempeño superior. Para instalaciones existentes, Eaton provee una línea completa de productos para satisfacer sus necesidades de exposición al riesgo.

 

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