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PROTECCIÓN CONTRA FALLA A
TIERRA Y SOBRETENSIONES
UNAM
Expositor:
Aarón Sánchez-Juárez
Centro de Investigación en Energía-UNAM
asj@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.
DISPOSITIVOS Y FUNCIONAMIENTO
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.
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.
Sensor
del circuito
Chasis
Boton de prueba
Fase
1 Ampere
Carga
1 Ampere
Tierra de
Acometida
Neutro
Resistencia
Bobina
TOROIDAL
Sistema de tierra
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.
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.
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.
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.
280-23: Acometidas o circuitos con VFT>1 kV. Los conductores
no deben ser inferiores al No. 6 AWG tanto en cobre como en
aluminio.
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.
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.
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.
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.
UNAM
Limitadores de sobretensión
Tipo
Ventajas
Desventajas
Descargador Abierto, - Nula intensidad de fuga
- Son lentos
Explosor 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
Abierto de
contorneo deslizante - Alta capacidad de disipación Energética- Riesgo de fuego
- Su tensión de ruptura ion Energética
- Tensión de encendido Independiente
Descargador
de Carbón
- Relativamente baratos
- Tiempo de respuesta corto
- Alta capacidad de descarga
- Seguridad inherente por corto circuito
- Baja capacidad (5pf)
- Tensión Nominal (300 a 900 V) con amplia
dispersión respecto al valor nominal
- Posible corto circuito con gran descarga
- Riesgo de fuego
- Alto costo de mantenimiento
- Bajo costo por Joule
- Tensión residual elevada
Limitadores de sobretensión
Tipo
Ventajas
UNAM
Desventajas
Varistor
de OXIDO de ZINC
- Tiempo de respuesta rápido
- Mejor costo por Joule
- Buena disponibilidad de tensiones
de limitación
- Buena Fiabilidad
- Baja intensidad de fuga
- Bueno para tensiones bajas
- Mala disipación de energía
- Mala resistencia al calentamiento
- Envejecimiento rápido
- alta capacidad
Varistor
de Carburo
de SILICIO
- Corto tiempo de respuesta
- Alta capacidad energética
- Alta intensidad de fuga
- Alta capacidad
- Alta tensión de limitación
Diodo supresor
de SILICIO
- Tiempo de respuesta rápido
- Tensión de conducción aproximada
a la tensión de protección requerida
- Tiene el mejor factor de limitación
- Alta Fiabilidad
- Buena disponibilidad de tensiones
de limitación
- Mala disipación de energía
- Corriente admisible limitada
- Alto por Joule
Diodo supresor
de SELENIO
- buen costo, relativo, por Joule
- Mejor que el Varistor de carburo
de SILICIO
- Factor de limitación pobre
- Baja disponibilidad de tensiones
de limitación
- Baja fiabilidad
- Alto calentamiento
Filtro resistencia
Condensador RC
- Absorbe eficazmente las sobretensiones
de baja energía
- Dimensiones reducidas
- Bajo costo
- Aplicación limitada a ciertos tipos
de sobretensiones
Limitadores de sobretensión
Tipo
Ventajas
UNAM
Desventajas
Filtro inductancia
Condensador LC
- Respuesta rápida a una onda transitoria
- Atenúa eficazmente las sobretensiones
de frecuencia predeterminadas
- Corriente admisible limitada
- Puede oscilar espontáneamente
- No afecta a las Sobretensiones
de frecuencia diferente a la
predeterminada
Diodo Zener
Convencional
- Baja intensidad de fuga
- Baja capacidad
- Tiempo de respuesta medio
- Tensiones de limitación precisas
- Bajas tensiones de limitación
- Larga vida si no hay excesos
- Seguridad inherente por corto circuito
- Estrictamente no es un limitador
de picos de sobretensión
- Baja tensión de limitación
- Baja capacidad de disipación
energética
- Alto costo por Joule
- Alta capacidad
Descargador
de Gas (cerrado)
- Poder de disipación energética elevado
- Buena resistencia al calentamiento
- Alta resistencia
- Baja capacidad
- Tolerancia funcionamiento muy pequeño
- Amplio margen de tensiones limitadoras
- Larga vida (gran numero de descargas
sin alterar sus características
- Nula intensidad de fuga
- Muy baja resistencia en conducción
- Mejor vida en los bloques de carbón
- Seguridad inherente por corto circuito
- Tiempo de respuesta largo
- Baja tensión de descebado
- Alto costo
- Pueden quedar inoperantes con
tensiones excesivas
- Tiene intensidad de seguimiento
- Si tiene fugas puede aumentar su tensión
- La tensión de encendido depende de
la pendiente del impulso de sobre tensión
- No son auto extinguibles
Circuitos de protección secundaria
UNAM
Supresor
tipo diodo Bidireccional
A) Protección en lineas
Entrada
equilibradas de comunicaciones
Salida
Resistencia
Descargador
Salida
Entrada
B) Protección contra descargas
directas en antenas de alta frecuencia
Resistencia
Descargador
B) Disposición en serie de un descargador
de gas y un varistor para evitar la corriente
deseguimiento de la red
Salida
Entrada
Varistor
Circuitos de protección secundaria
Descargador
RL
Salida
Entrada
Varistor
E) El circuito de un descargador de gas en
paralelo con un diodo supresor, unidos
mediante un choque es adecuado para lineas
de comunicaciones, al tener una tensión de
limitaciónmenor a la del circuito.
UNAM
D) Circuito de dos escalones con descargador de
gas y varistor en paralelo, con una impedancia
inductiva de desacoplo para facilitar, en su
momento, una conmutación de la sobrecorriente
del varistor al descargador de gas.
Descargador
Entrada
L
Salida
Varistor
Resistencia
Entrada
Varistor
Salida
Varistor
F) Este circuito dobla la capacidad
energética de limitación de sobretensión
SUPRESORES EN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
DIAGRAMA DE BLOQUES
Arreglo
FV
Cargas en
CD
Controlador
Inversor
Cargas en
CA
Baterías
Simbología
Desconectores de
Sobrecorriente
Supresores
Conección a tierra
UNAM
Sensor
del circuito
Chasis
Boton de prueva
Fase
1 Ampere
Carga
1 Ampere
Tierra de
Acometida
Neutro
Resistencia
Bobina
TOROIDAL
Sistema de tierra