UNAMPROTECCIÓN CONTRA FALLA A TIERRA Y SOBRETENSIONES

Expositor:Aarón Sánchez-Juárez

Centro de Investigación en Energía-UNAMasj@mazatl.cie.unam.mx

FORO 2000, México, D.F.

CONCEPTOS BÁSICOS

FALLA A TIERRA: Es el fenómeno que se presenta en las líneas de conducción de electricidad cuando por algún agente externo, la fase de alimentación (el “vivo” en AC o positivo en DC) entra en contacto físico con una trayectoria a tierra.

Causas: Cableado aereo o subterraneo en mal estado expuesto a la humedad, contactos en el exterior expuestos a la humedad, cortocircuitos ocacionados por accidente al tocar la fase y generar una trayectoria a tierra.

Efecto: Una falla a tierra puede provocar choques eléctricos en las personas que entren en contacto con la trayectoria, y en muchos casos, ocasionar serios daños a ellas, incluso la muerte.

Protectores de Falla a Tierra: Se le llama protector de falla a tierra a un dispositivo que sensa el balance eléctrico de la fase y el neutro y desconeta la acometida eléctrica cuando ocurre una falla a tierra.En inglés se les conoce como GFCI “ground fault circuit interrupter”.

Modo de operación: Los GFCI sensan la diferencia entre las corrientes eléctricas que circulan por la fase y el neutro que alimentan una carga eléctrica. Normalmente, ambas corrientes son iguales. Si hay una diferencia el GFCI abrirá un interruptor de alimentación cesando así la corriente. Por ejemplo: Si alguien toca accidentalmente la fase de alimentación (el “vivo” en AC) y proporciona una trayectoria a tierra, la corriente que circula por la fase no será la misma que la que circula por el neutro. Esto se detectado por el GFCI que, en fracciones de segundo, envía una señal para abrir a uninterruptor colocado en la fase. Así, se interrumpe el flujo de corriente.

DISPOSITIVOS Y FUNCIONAMIENTO

Los GFCI NO substituyen a los fusibles o a los interruptores térmicos (Breakers)

INSTALLACIÓN: Los GFCI se pueden usar para proteger toda la red eléctrica de una instalación casera o industrial.Existen dispositivos de protección que pueden instalarse en los contactos de alimentación para cada aparato eléctrico o electrónico.

Carga

Chasis

Sistema de tierra

Resistencia

Boton de prueba

Sensordel circuito

BobinaTOROIDAL

Tierra deAcometida

Fase

Neutro

1 Ampere

1 Ampere

CONCEPTOS BÁSICOS

SOBRETENSIÓN (SURGE): Se dice que una línea de conducción de electricidad ha adquirido una sobretensión cuando sobre ella viaja una onda electromagnética transitoria inducida por medios externos, ó inclusive, internos.

SUPRESOR DE SOBRETENSION O SUPRESOR DE PICOS (SURGE ARRESTOR): Dispositivo electrónico ó eléctrico que se encarga de disminuir o limitar el efecto de una sobretensión transitoria descargando o desviando la sobrecorriente que se produce hacia tierra y evita el paso de dicha potencia eléctrica hacia los aparatos electricos y electrónoicos.

Las descargas atmosféricas (rayos) siempre producen sobretensiones (“picos” eléctricos, o transitorios de voltaje) sobre las líneas de conducción las que ocacionan desperfectos en aparatos eléctricos y electrónicos.

ARTICULO 280 DE LA NORMA ELÉCTRICA SOBRE SUPRESORES DE SOBRETENSIÓN O APARTARAYOS:

Interpretaciones del expositor

280-3: Cantidad. El número necesarios de supresores en una acometida eléctrica esta establecido por el número de fases eléctricas de alimentación. Se permite que un mismo supresor proteja a varios circuitos interconectados, siempre y cuando, ninguno de ellos quede sin protección cuando elsupresor esté desconectado.

280-4: Elección del supresor.(a) La capacidad del supresor (Cp) debe ser igual o mayor que la tensión (voltaje) eléctrica contínua de fase a tierra (VFT) a la frecuencia de suministro en circuitos con un voltaje menor a 1000V.(b) Para circuitos con voltajes mayores de 1 kV, usar supresores de carburo de silicio. Elegirlos con una Cp>1.25% VFT.

Los supresores de óxidos metálicos se eligen en función del VFT, del valor del pico esperado y su duración; el efecto de fallas Fase-Tierra, la Tierra física, las sobretensiones ocasionadas por operación de interruptores. Se recomienda consultar lasinstrucciopnes del fabricante.

280-11: Localización. Se instalarán lo más cercano posible al equipo a proteger. Se pueden instalar en interiores o exteriores pero siempre en lugares no accecibles a personas no-calificadas.

280-12: Cableado. El cable de conexión entre el apartarayos, la fase y la tierra, no debe ser mas largo de lonecesario y se debe de evitar curvas innecesarias.

280-21: Instalados en la acometida y en las cargas eléctricas (280-22) para VFT<1000 V. El cable de conexión no debe ser menor del No. 14 AWG para el caso de usar cobre; y no menor del No. 6 AWG para el caso de aluminio. El conductor a tierra puede estar conectado a:a) Al conductor puesto a tierra de la acometida.b) Al conductor del electrodo de tierra. Usar cobre.c) Al electrodo de tierra de la acometida. Usar cobre.d) A la terminal de tierra del equipo de acometida.

280-25: Toma de Tierra. Los conductores de puesta a tierra no deben ir en una envolvente metálica a no ser que esten conectados a ella.

280-29: Conexión de puesta a tierra. a) Conductores.- El supresor debe estar conectado a tierra lo mas directamente posible con conductores de tamaño nominal especificados en el Art. 280-23.b) Supresores con cubierta metálica. Las partes metálicas del supresor que no conducen electricidad deben ser aterrizadas.

280-23: Acometidas o circuitos con VFT>1 kV. Los conductores no deben ser inferiores al No. 6 AWG tanto en cobre como en aluminio.

MODO DE OPERACIÓN:Bajo condiciones normales de operación el supresor esta abierto y no existe una trayectoria a tierra a través de él. Cuando una sobretensión ocurre, el supresor se cierra y se genera una trayectoria a tierra generando la descarga del transitorio. Pasando la sobretensión, el supresor se abre.

INSTALACIÓN: Los supresores son colocados en las líneas de conducción eléctrica no conectados a Tierra. Una terminal se conecta al conductor y la otra al conductor de tierra.

FACTORES DE OPERACIÓN:La rapidéz en que un supresor puede eliminar un “pico” depende de:La magnitud del voltaje de la sobretensión, la magnitud de la descarga, la velocidad a la cual el supresor empieza a conducir, y su la conductividad.

TÉRMINOS NOMINALES

Voltaje de diseño (Voltage rating): Voltaje máximo RMS o pico de operación contínuo.

Voltaje de limitación (Clamping Voltage): Voltaje de trabajo mientras conduce una corriente transitoria de cierta magnitud.Corriente de limitación: corriente máxima que circula sobre el supresor al voltaje de limitación.

Tiempo de respuesta: Es el tiempo que requiere el supresor para operar.

Voltaje pico: Es el voltaje que requiere un supresor de gas para establercer la conducción (plasma).Voltaje de descarga: Voltaje en AC que propicia la operación en un supresor de gas.Potencia de disipación: Máxima potencia que un supresor puede disipar antes de fallar.

Tiempo de vida: Número de transitorios de una cierta amplitud que puede soportar un supresor antes de fallar.

Descargador Abierto, - Nula intensidad de fuga - Son lentosExplosor o chispero - Baja capacidad - Su Tensión de encendido depende de la presión

- Alta capacidad de disipación Energética atmosférica, la humedad y de las impurezas del aire y la suciedad

Descargador - Nula intensidad de fuga - Tensión de encendido muy elevado(aprox. 2kv) - Baja capacidad - Tensión residual elevada

contorneo deslizante - Alta capacidad de disipación Energética - Riesgo de fuego - Su tensión de ruptura ion Energética - Tensión de encendido Independiente

Descargador - Relativamente baratos - Tensión Nominal (300 a 900 V) con amplia - Tiempo de respuesta corto dispersión respecto al valor nominal - Alta capacidad de descarga - Posible corto circuito con gran descarga - Seguridad inherente por corto circuito - Riesgo de fuego - Baja capacidad (5pf) - Alto costo de mantenimiento

- Bajo costo por Joule - Tensión residual elevada

Tipo Ventajas Desventajas

de Carbón

Abierto de

Limitadores de sobretensiónUNAM

Varistor - Tiempo de respuesta rápido - Mala disipación de energíade OXIDO de ZINC - Mejor costo por Joule - Mala resistencia al calentamiento

- Buena disponibilidad de tensiones - Envejecimiento rápido de limitación - alta capacidad - Buena Fiabilidad - Baja intensidad de fuga - Bueno para tensiones bajas

Varistor - Corto tiempo de respuesta - Alta intensidad de fuga - Alta capacidad energética - Alta capacidad

- Alta tensión de limitación

Diodo supresor - Tiempo de respuesta rápido - Mala disipación de energía - Tensión de conducción aproximada - Corriente admisible limitada a la tensión de protección requerida - Alto por Joule - Tiene el mejor factor de limitación

- Alta Fiabilidad - Buena disponibilidad de tensiones

de limitación

Diodo supresor - buen costo, relativo, por Joule - Factor de limitación pobrede SELENIO - Mejor que el Varistor de carburo - Baja disponibilidad de tensiones

de SILICIO de limitación - Baja fiabilidad - Alto calentamiento

Filtro resistencia - Absorbe eficazmente las sobretensiones - Aplicación limitada a ciertos tiposCondensador RC de baja energía de sobretensiones

- Dimensiones reducidas - Bajo costo

de SILICIO

de Carburo de SILICIO

Tipo Ventajas Desventajas

Limitadores de sobretensión UNAM

Filtro inductancia - Respuesta rápida a una onda transitoria - Corriente admisible limitadaCondensador LC - Atenúa eficazmente las sobretensiones - Puede oscilar espontáneamente

de frecuencia predeterminadas - No afecta a las Sobretensiones de frecuencia diferente a la predeterminada

Diodo Zener - Baja intensidad de fuga - Estrictamente no es un limitador - Baja capacidad de picos de sobretensión - Tiempo de respuesta medio - Baja tensión de limitación - Tensiones de limitación precisas - Baja capacidad de disipación - Bajas tensiones de limitación energética - Larga vida si no hay excesos - Alto costo por Joule - Seguridad inherente por corto circuito - Alta capacidad

Descargador - Poder de disipación energética elevado - Tiempo de respuesta largode Gas (cerrado) - Buena resistencia al calentamiento - Baja tensión de descebado

- Alta resistencia - Alto costo - Baja capacidad - Pueden quedar inoperantes con - Tolerancia funcionamiento muy pequeño tensiones excesivas - Amplio margen de tensiones limitadoras - Tiene intensidad de seguimiento - Larga vida (gran numero de descargas - Si tiene fugas puede aumentar su tensión sin alterar sus características - La tensión de encendido depende de - Nula intensidad de fuga la pendiente del impulso de sobre tensión - Muy baja resistencia en conducción - No son auto extinguibles - Mejor vida en los bloques de carbón - Seguridad inherente por corto circuito

Tipo Ventajas Desventajas

Convencional

Limitadores de sobretensión UNAM

SalidaEntrada

SalidaEntrada

SalidaEntrada

A) Protección en lineas equilibradas de comunicaciones

B) Protección contra descargas directas en antenas de alta frecuencia

B) Disposición en serie de un descargador de gas y un varistor para evitar la corriente deseguimiento de la red

Circuitos de protección secundaria

Supresortipo diodo Bidireccional

Descargador

Descargador

Varistor

Resistencia

Resistencia

UNAM

EntradaSalida

Varistor

Entrada Salida

Varistor

Descargador

SalidaEntrada

Varistor Varistor

Descargador

E) El circuito de un descargador de gas enparalelo con un diodo supresor, unidosmediante un choque es adecuado para lineasde comunicaciones, al tener una tensión delimitaciónmenor a la del circuito.

F) Este circuito dobla la capacidadenergética de limitación de sobretensión

D) Circuito de dos escalones con descargador degas y varistor en paralelo, con una impedanciainductiva de desacoplo para facilitar, en sumomento, una conmutación de la sobrecorrientedel varistor al descargador de gas.

Resistencia

RL

Circuitos de protección secundaria

L

UNAM

DIAGRAMA DE BLOQUES

Cargas en CA

Cargas en CD

ArregloFV

Baterías

Inversor

Controlador

Desconectores de Sobrecorriente

Supresores

Conección a tierra

Simbología

SUPRESORES EN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO

Carga

Chasis

Sistema de tierra

Resistencia

Boton de prueva

Sensordel circuito

BobinaTOROIDAL

Tierra deAcometida

Fase

Neutro

1 Ampere

1 Ampere

UNAM