Sobretensiones v1

8/16/2019 Sobretensiones v1

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA

2.2 Sobretensiones

2.3 Protecciones

2016


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SOBRETENSIONES

Calidad de la Energía Eléctrica (Power Quality)

El consumo de energía eléctrica está creciendo en la

actualidad de forma considerable y continuada en todos los

países del mundo.

Históricamente el desarrollo tecnológico ha estado unido a la

utilización de la energía eléctrica, siendo cada vez mayor el

porcentaje de utilización de la electricidad en el conjunto del

consumo energético total.

Las alteraciones en la “calidad de la onda” tienen lugar en los

propios procesos de generación, transporte y distribución, así

también como en la utilización de determinados usuarios que

generan perturbaciones. Son, por tanto, inevitables y se han

convertido en un motivo de preocupación.


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SOBRETENSIONES


Dentro del marco socio-económico actual las empresas de

generación y distribución de energía eléctrica tienen que

afrontar dos importantes retos:

• Aumentar la capacidad de generación y distribución de

energía eléctrica para responder a la demanda creciente.

• Asegurar la calidad de la energía eléctrica suministrada


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SOBRETENSIONES


Definición:

Las definiciones genéricas empleadas en los más importantes

estándares internacionales de medida de la calidad de la energíaeléctrica, son:

El estándar IEC 61000-4-30 define power qualtiy como las

“características de la electricidad en un punto dado de una red

de energía eléctrica, evaluadas con relación a un conjunto de

parámetros técnicos de referencia”

El estándar IEEE 1159-1995 define la calidad de la energía

eléctrica como “una gran variedad de fenómenos

electromagnéticos que caracterizan la tensión y la corriente en

un instante dado y en un punto determinado de la red eléctrica”


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SOBRETENSIONES


Definición:

En general, la calidad del suministro de energía eléctrica se

puede considerar como la combinación de:

• La disponibilidad del suministro eléctrico

• La calidad de la tensión y de la corriente eléctrica suministrada

Entendiendo la falta de calidad como la desviación de esas

magnitudes de su forma ideal, de forma que cualquier

desviación se considera como una perturbación o como una

pérdida en su calidad.


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SOBRETENSIONES

Los equipos electrónicos Industriales de Potencia

o de control, están expuestos a sobrecargas

transitorias y permanentes de tensión, por parte

de la alimentación o por parte de su respectiva

carga.


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SOBRETENSIONES

ORIGEN

DE LASSOBRETENSIONES

PROTENCCIÓN CONTRA

LAS SOBRETENSIONES


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SOBRETENSIONES: Origen

A. Transitorio debido al corte de una corriente de imanación

8 o 10 Vp


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Es el efecto más importante, especialmente en ausencia de carga y con

filtro inductor de entrada.

El choque de entrada impide la descarga del transitorio en la carga o en

el Capacitor del filtro, y la totalidad de la sobretensión debe ser

absorbida por los diodos de potencia polarizados inversamente.


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Cuando se desconecta el

primario del transformador, la

tensión y la corriente

magnetizante disminuyen con

una amortiguación debida a la

inductancia y la capacidad

repartida del bobinado, junto con

las pérdidas del circuito


Según sea el valor instantáneo de la corriente en el instante inmediatamente

anterior a la interrupción de corriente, el pico transitorio de tensión puede

alcanzar entre 8 y 10 veces el valor pico de la tensión sinusoidal. Se debe a la

baja capacidad repartida del transformador Se deben agregar capacidades en

paralelo con los diodos y/o con el transformador

A

B


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B. Transitorios debida a la conexión del primario del transformador


El valor máximo del transitorio ocasionado por la conexión del

transformador es el doble del valor pico de la tensión secundaria.


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C. Transitorio debido a la conexión de un transformador reductor


Al conectar un transformador reductor, el máximo valor del transitorio es

igual a la tensión de pico del primario.

Solución: Colocar una pantalla electrostática (Lámina de Cu) entre los

devanados a masa.


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D. Transitorio debido a una inductancia en paralelo con la entrada

Es parecido al caso "A". La máxima energía magnética disponible J=

(siendo IPK el valor pico de la corriente magnetizante)2

. 2 PK I L



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E. Transitorio debido a la desconexión de una carga inductiva


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F. Transitorios cíclicos debido a fenómenos de recuperación inversa

Estas sobretensiones se producen con cargas altamente inductivas.

Dependen de la frecuencia de alimentación, de la carga y de la inductancia

de fuga del transformador



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Tanto la conmutación de motores, como el

funcionamiento de un contactor y la fusión de un

fusible en circuitos adyacentes pueden ocasionar

sobretensiones transitorias.

G. Transitorios originados en circuitos paralelos



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También se producen transitorios, cuando se enciende una

luz.

Pueden originarse sobretensiones importantes puramente

por fenómenos inductivos, la manera de evitar esto es

montar supresores a la entrada de la línea.

H. Perturbaciones aleatorias a la red



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F. Perturbaciones aleatorias a la red



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Protección contra las sobretensiones

Normalmente se utilizan tres tipos de supresores de tensión:

a. Los que almacenan la energía transitoria de la

sobretensión y la disipan mas tarde en forma de calor.

b. Los que convierten la energía de la sobretensión

directamente en calor, la cual se disipa.

c. Los que convierten la sobretensión en sobrecorriente, yentonces utilizan técnicas para protegerse de ellas.


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Los Capacitores se utilizan para almacenar la energía de las

sobretensiones transitorias, que luego se disipan en resistencias.



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Los supresores R-C se conectan entre las líneas de alimentación

trifásica, así como en bornes de la carga CC.


Parte de la tensión transitoria se disipa en las impedancias de la

línea, en las resistencias en serie, y el resto aparece como un

incremento de la tensión en el condensador.


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• Cuanto mayor sea el capacitor, menos subirá esta tensión.


• Las resistencias en serie con los condensadores de supresión

limitan la corriente de carga y también amortiguan las

oscilaciones, que resultan de la resonancia entre estos

capacitores y las inductancias de las líneas, que pueden dar lugar a sobretensiones.


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Disposición alternativa

que utiliza un puente

auxiliar de baja

potencia.

Si la inductancia

(serie) de la

capacidad es alta,

no será capaz de

suprimir transitorios

de subida rápida.


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Los componentes de supresión que convierten la energía del transitorio

de tensión directamente en calor, son componentes semiconductores, los

diodos Zener (baja potencia) y TVS


Circula muy poca

corriente a travésdel dispositivo

hasta que se

alcanza la tensión

de ruptura Vb.


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Los TVS y Zener están disponibles en un rango de tensiones máximas

fijas, y no pueden adaptarse a los cambios de las tensiones de

funcionamiento del circuito, como las redes RC.


Circula muy poca corriente a través del dispositivo hasta que se alcanza

la tensión de ruptura Vb.


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El componente de fijación de tensión se puede conectar en bornes de las

líneas de alimentación, o en los bornes de los componentes a proteger.

El componente deber tener una curva tensión - corriente plana una vez que

haya ocurrido la ruptura, pero también debe ser capaz de absorber altas

energías durante períodos cortos.



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El diodo zener tiene la característica mostrada en la figura (a), y se puede

utilizar como supresor.

Tiene una característica plana, es decir, una resistencia diferencial baja, pero

sólo es capaz de absorber pequeños niveles de energía, por lo que se utiliza

en aplicaciones de baja potencia.



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Los transitorios de sobretensión normalmente tienen un alto valor de tensión pero duran muy poco tiempo, o tienen una tensión relativamente baja pero

con más duración.

Por lo tanto, los requisitos de energía están bastante definidos, y los

componentes de supresión normalmente están especificados en vatio -

segundo de energía disipada.



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Los TVS (Transient Voltage Surge Supressors),

son semiconductores especiales para este fin.



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Los TVS (Transient Voltage Surge Supressors) aplicación


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(Zener transient Voltage Suppressors : TVS)

P6KE6.8 de ON semi (ex Motorola).

Ppk 600 W (no repetitivos, @ 25 ºC)

Potencia en CC 5 W.

Tensión pico inversa de trabajo (rangos) = 5.8 a 171 V

Bajas perdidas directas (< 5 μA en 10 V)

Respuesta típica < 1 ns



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Dispositivos para supresión de transitorios

• Zener (usado como supresor de transitorios)TVS [


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• Zener (usado como supresor de transitorios)TVS [


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Como ejemplo de supresores que convierten la

sobretensión en sobrecorriente:

Circuito Crown-bar (anticorona)



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Electrodos de descarga de carbón:

Este es el mas viejo y mas usado método de supresión

de transitorios en distribución de potencia y sistemas

de telecomunicación

Consiste en dos electrodos de carbón, separados por aire

(3 ó 4 mm). Uno de los electrodos a tierra y el otro al

conductor que se quiere proteger.


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Está construido por dos conductores metálicos separados

10 o 15 mm, encapsulados en un cilindro usualmente de

vidrio, el cual es rellenado con varios gases, a baja

presión, este dispositivo tiene una alta capacidad de

corriente y una mayor vida útil, comparada con el de

carbón.

• Supresores gaseosos.


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Tensión de arco (sobretensión aplicada) 3000 ± 25 % V

Impulso de sobretensión típica < 4500 V

Impulso nominal de corriente de descarga 25 kA

Descarga nominal al 50 Hz 20 A

Resistencia de aislación a 100 V > 10 GΩ

Tensión de arco a 1 A 30 V

Peso 9 G


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• Rectificadores de selenio.

Los TVS son una aplicación de ellos, los antiguos han quedado

obsoletos.


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• Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).

Un MOV es una resistencia No lineal, cuyo valor depende de la

tensión a la que es sometida.

Está construido con óxidos metálicos, tales como óxido de zinc

con la adición de otros materiales para el control de sus

características.


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Las características eléctricas del MOV son principalmente

controladas por las dimensiones físicas de la estructura

policristalina , puesto que la conducción ocurre entre los granos

de óxido de zinc y el limite intergranular el cual se distribuye

completamente en el volumen del dispositivo.



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• El rango de tensión por el espesor.

• La capacidad de manejo de corriente por su área.

• Puesto que la energía disipada en el dispositivo es difundida

enteramente en el óxido de metal, la capacidad de manejo de

energía , dependerá de su volumen .



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Es un material cerámico resistor de impedancia variable que

presenta un elevado comportamiento no-lineal corriente-

voltaje. Esta característica los convierte en materiales propicios

para la protección frente a sobretensiones transitorias.


Son dispositivos semiconductores cerámicos similares a los

diodos TVS, pero con mayores capacidades en el manejo de

corriente y energía.


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El cuerpo policristalino del MOV, usualmente tiene forma de

disco.



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El MOV es un buen sustituto para supresión de transitorios de

pulsos únicos de gran potencia, donde una buena capacidad de

enclavamiento no es necesaria.



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La mayor desventaja con el uso de MOV, son que estos

únicamente pueden disipar una pequeña cantidad del

promedio de potencia y no se puede utilizar donde se prevea

pulsos repetitivos.



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•Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).Región I: la región de bajacorriente (


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•Varistores (Metal Oxide Varistor - MOV'S -VDR).

Región II: La región nolineal intermedia o región

de ruptura es el corazón delvaristor.

En esta región el varistor

conduce una gran cantidad de

corriente con sólo un pequeñoincremento en el voltaje.


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Región III: La región dealta corriente (> 103

A/cm2) o región de

posruptura.

El comportamiento V-I

permanece aproximadamente

lineal, de forma similar a la

región de prerutptura de

baja corriente pero conincrementos de voltaje y

corriente de crecimiento más

rápido.


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Tensión de Operación

[V]

Diámetro del Disco

Ø [mm]

I MAX [A]

250 5 400250 7 1200

250 10 2500

250 14 4500

250 20 6500TABLA II


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Corriente Permisible

[A]

Número de Pulsos de corriente

(8x20µs)

6500 1

4000 2

1000 100

200 10000

Tabla III


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Tensión de

operación

[V]

Diámetro del disco

(sin recubrimiento)

Ø [mm]

Energía

[J]

250 5 10

250 7 21

250 10 40

250 14 72250 20 130

Tabla V


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