UNAM

1. UNAM PROTECCIÓN CONTRA FALLA A TIERRA Y SOBRETENSIONES Expositor: Aarón Sánchez-Juárez Centro de Investigación en Energía-UNAM asj@mazatl.cie.unam.mx FORO 2000, México, D.F.

2. 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.

3. 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)

4. Sensor del circuito Chasis Boton de prueba Fase 1 Ampere Carga 1 Ampere Neutro Tierra de Acometida Resistencia Bobina Sistema de tierra TOROIDAL 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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 - Relativamente baratos - Tensión Nominal (300 a 900 V) con amplia - Tiempo de respuesta corto dispersión respecto al valor nominal de Carbón - 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 UNAM Limitadores de sobretensión

12. Tipo Ventajas Desventajas Varistor - Tiempo de respuesta rápido - Mala disipación de energía de 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 de Carburo - Alta tensión de limitación de SILICIO Diodo supresor - Tiempo de respuesta rápido - Mala disipación de energía - Tensión de conducción aproximada - Corriente admisible limitada de SILICIO 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 pobre de 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 tipos Condensador RC de baja energía de sobretensiones - Dimensiones reducidas - Bajo costo Limitadores de sobretensión UNAM

13. Tipo Ventajas Desventajas Filtro inductancia - Respuesta rápida a una onda transitoria - Corriente admisible limitada Condensador 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 Convencional - 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 largo de 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 Limitadores de sobretensión UNAM

14. Entrada Salida Salida Entrada Salida Entrada Circuitos de protección secundaria UNAM Supresor tipo diodo Bidireccional A) Protección en lineas equilibradas de comunicaciones Resistencia B) Protección contra descargas Descargador 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 Varistor

15. Salida Entrada Varistor Descargador Salida Entrada Varistor Circuitos de protección secundaria UNAM D) Circuito de dos escalones con descargador de RL Descargador 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. E) El circuito de un descargador de gas en L 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. Resistencia F) Este circuito dobla la capacidad Salida Entrada energética de limitación de sobretensión Varistor Varistor

16. SUPRESORES EN UN SISTEMA FOTOVOLTAICO DIAGRAMA DE BLOQUES Arreglo FV Cargas en CD Controlador Cargas en CA Inversor Baterías Simbología Desconectores de Sobrecorriente Supresores Conección a tierra

17. Sensor del circuito Chasis Boton de prueva Fase 1 Ampere Carga 1 Ampere Neutro Tierra de Acometida Resistencia Bobina Sistema de tierra TOROIDAL UNAM