Los dispositivos de protección contra sobretensiones se utilizan para redes de suministro de energía eléctrica, redes telefónicas y buses de comunicación y control automático.

2.4 El dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD)

El dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) es un componente del sistema de protección de la instalación eléctrica.

Este dispositivo se conecta en paralelo en el circuito de alimentación de las cargas que tiene que proteger (ver Fig. J17). También se puede utilizar en todos los niveles de la red de suministro eléctrico.

Este es el tipo de protección contra sobretensión más utilizado y más eficaz.

Principio

El SPD está diseñado para limitar las sobretensiones transitorias de origen atmosférico y desviar las ondas de corriente a tierra, con el fin de limitar la amplitud de esta sobretensión a un valor no peligroso para la instalación eléctrica y la aparamenta eléctrica y los equipos de control.

SPD elimina las sobretensiones:

• en modo común, entre fase y neutro o tierra;
• en modo diferencial, entre fase y neutro. En caso de sobretensión que supere el umbral de funcionamiento, el SPD
• conduce la energía a la tierra, en modo común;
• distribuye la energía a los demás conductores activos, en modo diferencial.

Los tres tipos de SPD:

• Escriba 1 SPD

El DPS Tipo 1 se recomienda en el caso específico de naves industriales y del sector servicios, protegido por un sistema de protección contra rayos o una jaula de malla. Protege las instalaciones eléctricas contra descargas directas de rayos. Puede descargar la contracorriente de los rayos que se propagan desde el conductor de tierra a los conductores de la red.

El SPD de tipo 1 se caracteriza por una onda de corriente de 10/350 μs.

• Escriba 2 SPD

El SPD Tipo 2 es el principal sistema de protección para todas las instalaciones eléctricas de baja tensión. Instalado en cada cuadro eléctrico, evita la propagación de sobretensiones en las instalaciones eléctricas y protege las cargas.

El SPD de tipo 2 se caracteriza por una onda de corriente de 8/20 μs.

• Escriba 3 SPD

Estos SPD tienen una baja capacidad de descarga. Por lo tanto, deben instalarse obligatoriamente como complemento del SPD Tipo 2 y en las proximidades de cargas sensibles. El SPD de tipo 3 se caracteriza por una combinación de ondas de voltaje (1.2 / 50 μs) y ondas de corriente (8/20 μs).

Definición normativa SPD

2.4.1 Características del SPD

La norma internacional IEC 61643-11 Edición 1.0 (03/2011) define las características y pruebas para SPD conectados a sistemas de distribución de baja tensión (ver Fig. J19).

• Características comunes

- U_c: Voltaje de funcionamiento continuo máximo

Este es el voltaje de CA o CC por encima del cual se activa el SPD. Este valor se elige de acuerdo con la tensión nominal y la disposición de puesta a tierra del sistema.

- U_p: Nivel de protección de voltaje (en I_n)

Este es el voltaje máximo a través de los terminales del SPD cuando está activo. Este voltaje se alcanza cuando la corriente que fluye en el SPD es igual a I_n. El nivel de protección de tensión elegido debe estar por debajo de la capacidad de resistencia a sobretensión de las cargas (consulte la sección 3.2). En caso de descargas eléctricas, el voltaje en los terminales del SPD generalmente permanece por debajo de U_p.

- Yo_n: Corriente nominal de descarga

Este es el valor pico de una forma de onda de corriente de 8/20 μs que el SPD es capaz de descargar 15 veces.

• Escriba 1 SPD

- Yo_diablillo: Impulse actualmente

Este es el valor pico de una forma de onda de corriente de 10/350 μs que el SPD es capaz de descargar 5 veces.

- Yo_fi: Autoextinguir sigue la corriente

Aplicable solo a la tecnología Spark gap.

Esta es la corriente (50 Hz) que el SPD es capaz de interrumpir por sí mismo después de un flashover. Esta corriente debe ser siempre mayor que la posible corriente de cortocircuito en el punto de instalación.

• Escriba 2 SPD

- Yo_max: Corriente de descarga máxima

Este es el valor pico de una forma de onda de corriente de 8/20 μs que el SPD es capaz de descargar una vez.

• Escriba 3 SPD

- U_oc: Tensión de circuito abierto aplicada durante las pruebas de clase III (Tipo 3).

2.4.2 Aplicaciones principales

• SPD de bajo voltaje

Este término designa dispositivos muy diferentes, tanto desde el punto de vista tecnológico como de uso. Los SPD de bajo voltaje son modulares para ser instalados fácilmente dentro de cuadros de distribución de BT. También existen SPD adaptables a tomas de corriente, pero estos dispositivos tienen una baja capacidad de descarga.

• SPD para redes de comunicación

Estos dispositivos protegen las redes telefónicas, las redes conmutadas y las redes de control automático (bus) contra sobretensiones provenientes del exterior (rayos) e internas a la red de alimentación (equipos contaminantes, funcionamiento de aparamenta, etc.).

Dichos SPD también se instalan en conectores RJ11, RJ45,… o integrados en cargas.

3 Diseño del sistema de protección de la instalación eléctrica

Para proteger una instalación eléctrica en un edificio, se aplican reglas simples para la elección de

• SPD (s);
• es sistema de protección.

3.1 Reglas de diseño

Para un sistema de distribución de energía, las principales características que se utilizan para definir el sistema de protección contra rayos y seleccionar un DPS para proteger una instalación eléctrica en un edificio son:

• SPD

- la cantidad de SPD;

- tipo;

- nivel de exposición para definir la corriente de descarga máxima del SPD I_max.

• El dispositivo de protección contra cortocircuitos

- corriente de descarga máxima I_max;

- corriente de cortocircuito I_sc en el punto de instalación.

El diagrama lógico de la Figura J20 a continuación ilustra esta regla de diseño.

Las demás características para la selección de un DPS están predefinidas para una instalación eléctrica.

• número de polos en SPD;
• nivel de protección de voltaje U_p;
• tensión de funcionamiento U_c.

En este subapartado J3 se describen con mayor detalle los criterios de selección del sistema de protección en función de las características de la instalación, el equipo a proteger y el medio ambiente.

3.2 Elementos del sistema de protección

Siempre se debe instalar un DPS en el origen de la instalación eléctrica.

3.2.1 Ubicación y tipo de SPD

El tipo de SPD a instalar en el origen de la instalación depende de si existe o no un sistema de protección contra rayos. Si el edificio está equipado con un sistema de protección contra rayos (según IEC 62305), se debe instalar un DPS Tipo 1.

Para los SPD instalados en el extremo de entrada de la instalación, las normas de instalación IEC 60364 establecen valores mínimos para las 2 características siguientes:

• Corriente nominal de descarga I_n = 5 kA (8/20) µs;
• Nivel de protección de voltaje U_p (en yo_n) <2.5 kV.

El número de SPD adicionales que se instalarán está determinado por:

• el tamaño del sitio y la dificultad de instalar conductores de conexión. En sitios grandes, es esencial instalar un SPD en el extremo de entrada de cada gabinete de subdistribución.
• la distancia que separa las cargas sensibles a proteger del dispositivo de protección del extremo de entrada. Cuando las cargas se encuentran a más de 30 metros de distancia del dispositivo de protección del extremo de entrada, es necesario proporcionar una protección fina adicional lo más cerca posible de las cargas sensibles. Los fenómenos de reflexión de las olas aumentan desde los 10 metros (ver capítulo 6.5)
• el riesgo de exposición. En el caso de un sitio muy expuesto, el SPD del extremo de entrada no puede garantizar tanto un alto flujo de corriente del rayo como un nivel de protección de voltaje suficientemente bajo. En particular, un SPD de tipo 1 generalmente va acompañado de un SPD de tipo 2.

La tabla de la Figura J21 a continuación muestra la cantidad y el tipo de SPD que se configurará sobre la base de los dos factores definidos anteriormente.

3.4 Selección de un SPD de tipo 1

3.4.1 Corriente de impulso I_diablillo

• Cuando no existan normativas nacionales o normativas específicas para el tipo de edificio a proteger, la corriente de impulso I_diablillo debe ser de al menos 12.5 kA (onda de 10/350 μs) por rama de acuerdo con IEC 60364-5-534.

• Donde existan regulaciones: la norma 62305-2 define 4 niveles: I, II, III y IV. La tabla de la Figura J31 muestra los diferentes niveles de I_diablillo en el caso reglamentario.

3.4.2 Autoextinción siga corriente I_fi

Esta característica es aplicable solo para SPD con tecnología de descarga de chispas. La autoextinción sigue la corriente I_fi debe ser siempre mayor que la posible corriente de cortocircuito I_sc en el punto de instalación.

3.5 Selección de un SPD de tipo 2

3.5.1 Corriente máxima de descarga I_max

La corriente de descarga máxima Imax se define de acuerdo con el nivel de exposición estimado en relación con la ubicación del edificio.

El valor de la corriente máxima de descarga (I_max) se determina mediante un análisis de riesgo (ver tabla en la Figura J32).

3.6 Selección de dispositivo externo de protección contra cortocircuitos (SCPD)

Los dispositivos de protección (térmicos y de cortocircuito) deben estar coordinados con el SPD para garantizar un funcionamiento confiable, es decir

• asegurar la continuidad del servicio:

- soportar las ondas de la corriente del rayo;

- no generar una tensión residual excesiva.

• garantizar una protección eficaz contra todo tipo de sobrecorriente:

- sobrecarga después de una fuga térmica del varistor;

- cortocircuito de baja intensidad (impedante);

- cortocircuito de alta intensidad.

3.6.1 Riesgos que deben evitarse al final de la vida útil de los DPS

• Debido al envejecimiento

En el caso del final natural de la vida por envejecimiento, la protección es de tipo térmico. El SPD con varistores debe tener un seccionador interno que deshabilite el SPD.

Nota: El final de la vida útil debido a la fuga térmica no afecta al SPD con tubo de descarga de gas o vía de chispa encapsulada.

• Debido a una falla

Las causas del fin de la vida útil debido a un cortocircuito son:

- Se superó la capacidad máxima de descarga.

Esta falla da como resultado un fuerte cortocircuito.

- Una avería debida al sistema de distribución (conmutación neutro / fase, neutro

desconexión).

- Deterioro gradual del varistor.

Los dos últimos fallos provocan un cortocircuito imperante.

La instalación debe estar protegida contra daños resultantes de este tipo de fallas: el seccionador interno (térmico) definido anteriormente no tiene tiempo para calentarse, por lo tanto para operar.

Se debe instalar un dispositivo especial llamado “Dispositivo de protección contra cortocircuitos externo (SCPD externo)”, capaz de eliminar el cortocircuito. Puede implementarse mediante un disyuntor o un dispositivo fusible.

3.6.2 Características del SCPD externo (Dispositivo de protección contra cortocircuitos)

El SCPD externo debe coordinarse con el SPD. Está diseñado para cumplir las dos restricciones siguientes:

Resistencia a la corriente del rayo

La resistencia a la corriente del rayo es una característica esencial del dispositivo externo de protección contra cortocircuitos del SPD.

El SCPD externo no debe dispararse con 15 corrientes de impulso sucesivas en I_n.

Resistencia a la corriente de cortocircuito

• La capacidad de ruptura está determinada por las reglas de instalación (norma IEC 60364):

El SCPD externo debe tener una capacidad de corte igual o mayor que la posible corriente de cortocircuito Isc en el punto de instalación (de acuerdo con la norma IEC 60364).

• Protección de la instalación contra cortocircuitos

En particular, el cortocircuito imperante disipa mucha energía y debe eliminarse muy rápidamente para evitar daños a la instalación y al SPD.

La asociación correcta entre un SPD y su SCPD externo debe ser proporcionada por el fabricante.

3.6.3 Modo de instalación para el SCPD externo

• Dispositivo "en serie"

El SCPD se describe como “en serie” (ver Fig. J33) cuando la protección la realiza el dispositivo de protección general de la red a proteger (por ejemplo, interruptor de circuito de conexión aguas arriba de una instalación).

• Dispositivo "en paralelo"

El SCPD se describe como “en paralelo” (ver Fig. J34) cuando la protección es realizada específicamente por un dispositivo de protección asociado con el SPD.

• El SCPD externo se denomina “disyuntor de desconexión” si la función la realiza un disyuntor.
• El disyuntor de desconexión puede estar integrado o no en el SPD.

Nota: En el caso de un SPD con tubo de descarga de gas o vía de chispa encapsulada, el SCPD permite cortar la corriente inmediatamente después de su uso.

Nota: Los dispositivos de corriente residual tipo S de conformidad con las normas IEC 61008 o IEC 61009-1 cumplen con este requisito.

3.7.1 Coordinación con dispositivos de protección aguas arriba

Coordinación con dispositivos de protección contra sobrecorriente

En una instalación eléctrica, el SCPD externo es un aparato idéntico al aparato de protección: esto permite aplicar técnicas de discriminación y cascada para la optimización técnica y económica del plan de protección.

Coordinación con dispositivos de corriente residual

Si el DPS se instala aguas abajo de un dispositivo de protección diferencial, este último debe ser del tipo “si” o selectivo con una inmunidad a las corrientes de pulso de al menos 3 kA (onda de corriente de 8/20 μs).

4 Instalación de SPD

Las conexiones de un SPD a las cargas deben ser lo más cortas posible para reducir el valor del nivel de protección de voltaje (instalado Up) en los terminales del equipo protegido. La longitud total de las conexiones SPD a la red y al bloque de terminales de tierra no debe exceder los 50 cm.

Conexión 4.1

Una de las características esenciales para la protección de equipos es el nivel máximo de protección de voltaje (U instalado_p) que el equipo puede soportar en sus terminales. En consecuencia, se debe elegir un DPS con un nivel de protección de voltaje U_p adaptado a la protección del equipo (ver Fig. J38). La longitud total de los conductores de conexión es

L = L1 + L2 + L3.

Para corrientes de alta frecuencia, la impedancia por unidad de longitud de esta conexión es de aproximadamente 1 μH / m.

Por lo tanto, aplicar la ley de Lenz a esta conexión: ∆U = L di / dt

La onda de corriente normalizada de 8/20 μs, con una amplitud de corriente de 8 kA, crea en consecuencia un aumento de voltaje de 1000 V por metro de cable.

∆U = 1 x 10^-6 x 8 x 10³ / 8 x 10^-6 = 1000 V

Como resultado, el voltaje a través de los terminales del equipo, instalados arriba, es:

instalado U_p = tu_p + U1 + U2

Si L1 + L2 + L3 = 50 cm y la onda es de 8/20 μs con una amplitud de 8 kA, el voltaje en los terminales del equipo será U_p + 500V.

4.1.1 Conexión en la carcasa de plástico

La Figura J39a a continuación muestra cómo conectar un SPD en la caja de plástico.

4.1.2 Conexión en la caja metálica

En el caso de un conjunto de aparamenta en un gabinete metálico, puede ser conveniente conectar el SPD directamente al gabinete metálico, utilizando el gabinete como conductor de protección (ver Fig. J39b).

Esta disposición cumple con la norma IEC 61439-2 y el fabricante del MONTAJE debe asegurarse de que las características del envolvente hacen posible este uso.

4.1.3 Sección transversal del conductor

La sección transversal mínima recomendada del conductor tiene en cuenta:

• El servicio normal a prestar: Flujo de la onda de la corriente del rayo bajo una caída de tensión máxima (regla de 50 cm).

Nota: A diferencia de las aplicaciones a 50 Hz, el fenómeno del rayo es de alta frecuencia, el aumento en la sección transversal del conductor no reduce en gran medida su impedancia de alta frecuencia.

• Resistencia de los conductores a corrientes de cortocircuito: El conductor debe resistir una corriente de cortocircuito durante el tiempo máximo de corte del sistema de protección.

IEC 60364 recomienda en el extremo de entrada de la instalación una sección transversal mínima de:

- 4 mm² (Cu) para la conexión de SPD Tipo 2;

- 16 mm² (Cu) para conexión de SPD Tipo 1 (presencia de sistema de protección contra rayos).

4.2 Reglas de cableado

• Regla 1: La primera regla a cumplir es que la longitud de las conexiones del SPD entre la red (a través del SCPD externo) y el bloque de terminales de tierra no debe exceder los 50 cm.

La Figura J40 muestra las dos posibilidades de conexión de un SPD.

• Regla 2: Los conductores de los alimentadores salientes protegidos:

- debe estar conectado a los terminales del SCPD externo o del SPD;

- debe estar físicamente separado de los conductores de entrada contaminados.

Están ubicados a la derecha de los terminales del SPD y el SCPD (consulte la Fig. J41).

• Regla 3: Los conductores de fase de alimentación de entrada, neutro y de protección (PE) deben correr uno al lado del otro para reducir la superficie del bucle (ver Fig. J42).
• Regla 4: Los conductores entrantes del SPD deben estar alejados de los conductores salientes protegidos para evitar contaminarlos por acoplamiento (ver Fig. J42).
• Regla 5: Los cables deben sujetarse con clavijas contra las partes metálicas del gabinete (si las hubiera) para minimizar la superficie del bucle del marco y, por lo tanto, beneficiarse de un efecto de blindaje contra las perturbaciones electromagnéticas.

En todos los casos, se debe comprobar que los marcos de cuadros y envolventes estén puestos a tierra mediante conexiones muy cortas.

Finalmente, si se utilizan cables apantallados, deben evitarse grandes longitudes, ya que reducen la eficiencia del apantallamiento (ver Fig. J42).

Aplicación 5

5.1 Ejemplos de instalación

Soluciones y diagrama esquemático

• La guía de selección del descargador de sobretensión ha permitido determinar el valor preciso del descargador de sobretensión en el extremo de entrada de la instalación y el del interruptor de circuito de desconexión asociado.
• Como los dispositivos sensibles (U_p <1.5 kV) se encuentran a más de 30 m del dispositivo de protección de entrada, los descargadores de sobretensión de protección fina deben instalarse lo más cerca posible de las cargas.
• Para garantizar una mejor continuidad del servicio para las áreas de cámaras frigoríficas:

- Se utilizarán disyuntores de corriente residual tipo "si" para evitar disparos molestos provocados por el aumento del potencial de tierra a medida que pasa la onda del rayo.

• Para protección contra sobretensiones atmosféricas:

- instalar un descargador de sobretensiones en el cuadro de distribución principal

- instalar un protector contra sobretensiones de protección fina en cada cuadro (1 y 2) que alimente los dispositivos sensibles situados a más de 30 m del descargador de sobretensiones entrante

- instalar un descargador de sobretensiones en la red de telecomunicaciones para proteger los dispositivos suministrados, por ejemplo, alarmas de incendio, módems, teléfonos, faxes.

Recomendaciones de cableado

- Asegurar la equipotencialidad de las puestas a tierra del edificio.

- Reducir las áreas del cable de alimentación en bucle.

Recomendaciones de instalación

• Instale un descargador de sobretensiones, Imax = 40 kA (8/20 μs) y un disyuntor de desconexión iC60 con capacidad nominal de 20 A.
• Instale supresores de sobretensión de protección fina, Imax = 8 kA (8/20 μs) y los disyuntores seccionadores iC60 asociados con capacidad nominal de 20.