EVALUACIÓN DE LA UBICACIÓN ÓPTIMA DE LOS SUPRESORES DE SOBREVOLTAJES TRANSITORIOS SPD EN

REDES DE BAJA TENSIÓN.

OMAR ALEXI SILVA GAONA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA SANTAFE DE BOGOTA

2006

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EVALUACIÓN DE LA UBICACIÓN ÓPTIMA DE LOS SUPRESORES DE SOBREVOLTAJES TRANSITORIOS SPD EN

REDES DE BAJA TENSIÓN.

OMAR ALEXI SILVA GAONA

Proyecto de grado para optar al titulo de Ingeniero Eléctrico

Director GUSTAVO ANDRES RAMOS

Ingeniero Eléctrico

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA SANTAFE DE BOGOTA

2006

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AGRADECIMIENTOS

El autor desea expresar sus mas sinceros agradecimientos a las personas que hicieron posible este proyecto, a los profesores Gustavo Andrés Ramos López y Maria Teresa de Torres, por la asesoría brindada durante el proyecto, y los valiosos aportes a nivel profesional; de igual forma a mis padres y hermano y todos mis seres queridos, por su ayuda y comprensión.

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CONTENIDO

Pág.

Introducción 10 Resumen de las actividades realizadas 11

PARTE I ESTADO DEL ARTE

1. Fenómenos Transitorios 13 1.1. Fuentes Externas e Internas 13 1.2. Efectos Perturbadores 16

2. Sistemas de Protección 18

2.1. Protecciones de Estado Estable y Transitorio 20 2.2. SPD 21

2.2.1. Clases 21 2.2.2. Tecnologías 24 2.2.3. Parámetros 27

3. Normatividad 27

3.1. IEEE 27 3.2. IEC 28 3.3. UL 29 3.4. Normas Colombianas 29 3.5. Comparación 29

PARTE II MODELO, PARAMETROS Y ESPECIFICACIONES 1. Sistema de Conexión del Modelo Unifilar. 32 2. Parámetros de las Fuentes Generadoras. 32 3. Niveles de Tensión y de Tolerancia. 33 4. Supresor de Transientes 34

4.1. Modelo 34 4.2. Descripción del dispositivo comercial 35 4.3. Parámetros 35

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4.4. Validación 36 5. Parámetros del Cable 37 6. Software y Método de Simulación 38 PARTE III SIMULACION Y ANALISIS DE SENSIBILIDAD 1. Sistema sin Protección 40 2. Análisis de Sensibilidad 40

2.1. 1 Metro 40 2.2. 10 Metros 43 2.3. 100 Metros 46

PARTE IV MODELO ANALITICO Y RECOMENDACIONES 1. Líneas de Transmisión 50 2. Fenómeno de Reflexión 50

2.1. Modelo Analítico 50 2.2. Carga Resistiva

3. Fenómeno de Oscilación 52

3.1. Modelo Analito 52 3.2. Cargas Capacitiva e Inductiva 52

4. Síntesis y Recomendaciones 53 Conclusiones 55 Bibliografía 56

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Causas Comunes de Transitorios en los Sistemas de Potencia Tabla 2 Características de los SPD dependiendo el tipo de Tecnología de construcción Tabla 3 Resumen de los puntos de comparación entre normas IEC e IEEE Tabla 4 IEC Definiciones de Voltajes Transiente Tolerado Tabla 5 Valores de la Simulación Tabla 6 Distancia Efectiva para Carga Resistiva Tabla 7 Distancia Efectiva para Carga Capacitiva Tabla 8 Distancia Efectiva para Carga Inductiva Tabla 9 Distancia Efectiva para Carga Resistiva y Capacitiva Tabla 10 Distancia Efectiva para Carga Resistiva e Inductiva

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Fenómeno descarga Eléctrica Figura 2 Transiente interno Figura 3 Sobretensión Conducida Figura 4 Sobretensión Inducida Figura 5 Aumento del potencial de tierra Figura 6 Modos de propagación Figura 7 Curva ITI de Soportabilidad de los equipos Figura 8 Impacto de los disturbios sobre los equipos Figura 9 Curva de protecciones de estrado estable y Transitorios Figura 10 SPD clase 1 Figura 11 SPD clase 2 Figura 12 SPD clase 3 Figura 13 SPD clase 4 Figura 14 Curva y Símbolo del Diodo Supresor Figura 15 Curva y Símbolo del Supresor MOV Figura 16 Curva y Símbolo del Tubo de Gas Figura 17 Supresor Tipo Arco Tubo de gas Figura 18 Categorías de Ubicación según IEEE Figura 19 Zonas de Instalación según IEC Figura 20 Modelo a simular Figura 21 El diagrama eléctrico de este generador y la respuesta de onda Figura 22 Modelo IEEE del MOV

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Figura 23 Características V-I Figura 24 Desempeño del MOV Figura 25 Parámetros de cable Figura 26 Dimensiones del cable Figura 27 Parámetros de Simulación Figura 28 Voltajes sin SPD en puntos 1 y 2 Figura 29 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Resistiva 1m Figura 30 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Inductiva 1m Figura 31 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Capacitiva 1m Figura 32 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva e inductiva 1m Figura 33 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva y capacitiva 1m Figura 34 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Resistiva 10m Figura 35 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Capacitiva 10 m Figura 36 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Inductiva 10m Figura 37 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva e inductiva 10m Figura 38 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva y Capacitiva 10m Figura 39 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Resistiva 100m Figura 40 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Capacitiva 100m Figura 41 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Inductiva 100m Figura 42 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva y capacitiva 100m

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Figura 43 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva e inductiva 100m Figura 44 Circuito equivalente Figura 45 Onda de tipo pulso Figura 46 Casos de estudio para fenómeno de Reflexión Figura 47 Circuitos equivalentes

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INTRODUCCION A medida que los dispositivos electrónicos se vuelven mas completos y complejos en su funcionamiento y aplicaciones , también se incrementa la necesidad de protegerlos contra los fenómenos transitorios que se presentan en la red que los alimenta, debido a su sensibilidad a estos fenómenos los cuales son naturales e inherentes al comportamiento de la electricidad y de los sistemas eléctricos, ellos generan mal funcionamiento ,la destrucción total del equipo o en algunos casos hasta atentar contra la integridad del personal, de aquí nace la necesidad de entender el origen de estos fenómenos, clasificarlos y caracterizarlos según su procedencia y características, para luego poder buscar los correctivos necesarios traducidos en protecciones internas o externas; para ello se hace fundamental conocer y entender las opciones del mercado enfocadas hacia a la protección y seguridad de los equipos y personal y como estas se pueden ajustar a los requerimientos de cada fenómeno, para establecer las posibles modificaciones que se podrían hacer según las necesidades de la industria. La ubicación optima de estos dispositivos es el objetivo principal de este proyecto, enfocándonos en las redes de baja tensión, las cuales presentan la mayor vulnerabilidad en relación a este tema por la falta de instalación adecuada de estos dispositivos, y en donde a medida que evoluciona la tecnología se localizan mas dispositivos sensibles que requieren protección; para ello es necesario conocer las diferentes variables y fenómenos que se presentan cuando ocurre un transitorio, buscando obtener una correcta ubicación de nuestro dispositivo que represente un correcto funcionamiento, es claro que la resolución de este problema es muy importante ya que hoy en día la mayoría de empresas y en general instalaciones de baja tensión que trabajan con dispositivos electrónicos o eléctricos requieren estar seguras de los fenómenos naturales de la electricidad. La instalación y configuración de los SPDs esta relacionada con los transitorios en diferentes zonas acorde a la categoría de ubicación de la IEEE c62.41 y la categoría de de instalación de la IEC60664-1.Acorde a estos dos estándares, los SPD se ubican en el tablero de distribución y en algunos casos a la salida de la carga, la conexión desde el tablero es la mas común y se efectúa conectado por medio de cables de varias longitudes a los equipos a proteger, si la carga esta alejada se deben instalar varios SPDs en cascada para obtener una protección adecuada, aunque en baja tensión la mayoría de los usuarios instalan SPDs esperando proteger todo el equipo instalado. Específicamente se quieren dar recomendaciones de instalación para estos equipos sustentados en análisis de sensibilidad basados en simulación y en un modelo analítico.

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RESUMEN DE LAS ACTIVIDADES REALIZADAS

Para establecer la distancia efectiva de los supresores de sobrevoltajes transitorios, se investigaron los diferentes fenómenos que afectan la efectiva protección de los SPD. Los fenómenos de oscilación y reflexión se hacen presentes y tienen una vital importancia en le momento de un correcto funcionamiento de estos dispositivos, estos fenómenos dependen fuertemente de las características del SPD en sus coordinación de energía, las características de la carga y la longitud del SPD a la carga, en menor medida los parámetros del cable y la forma de conexión del sistema, para ello se realizo un estudio de sensibilidad con estos tres parámetros, para determinar la distancia de protección efectiva utilizando el software PSCAD y un modelo matemático. Se investigo cada una de las fuentes de fenómenos transitorios así como de las diferentes tecnologías existentes para realizar un correcto modelo del sistema, también se utilizo un MOV comercial para la realización del modelo dinámico de transitorios de frente rápido que se debe utilizar en este caso, todo lo anterior de acuerdo a las normas y recomendaciones internacionales. Este proyecto agrupa aspectos teóricos, técnicos y analíticos para obtener un resultado de manera integral a nivel de simulación y recomendaciones de instalación

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PARTE I

ESTADO DEL ARTE En esta parte se describen todos los aspectos relacionados con los fenómenos naturales de la electricidad, sus características y la importancia de un sistema de protección, también se especifican las diferentes tecnologías y estándares internacionales y nacionales relacionados con los supresores de sobrevoltajes transitorios SPD, con el fin de enmarcar el estudio sobre una referencia clara de su estado actual.

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1. Fenómenos Transitorios En un estudio de calidad de la potencia eléctrica un transitorio es un fenómeno corto de alta intensidad que puede ocasionar mal funcionamiento de un equipo o en algunos casos la destrucción, estos fenómenos son generados por muchas causas la mas popular y dañina son las descargas atmosféricas, aunque estos fenómenos se pueden generar por muchas razones como las que se listan en la tabla 1. En las redes de baja tensión generalmente tienen dos orígenes puntuales: los efectos de las descargas atmosféricas de forma directa o indirecta y a las conmutaciones del sistema o bancos de condensadores del mismo usuario, en tercera media las interacciones entre sistemas como el de potencia y el de comunicaciones [1].

Tabla 1 Causas Comunes de Transitorios en los Sistemas de Potencia.

• Campos Electromagnéticos originados por maniobras en instalaciones de alta tensión (SEMP) • .Impulsos de descargas que impactan zonas cercanas (LEMP) • Cortocircuitos. • Explosiones Nucleares (NEMP) • Conmutaciones de máquinas de gran potencia. • Compresores. • Fotocopiadoras. • Descargas electroestáticas. (ESD) • Actuación de bancos capacitivos del usuario • Transferencias de energía (grupos electrógenos)

1.1. Fuentes Externas e Internas Las principales fuentes externas de transitorios son las descargas atmosféricas provenientes de la interacción de las nubes con la tierra o entre las nubes, en la figura 1 se observa este mecanismo.

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Figura 1 Fenómeno descarga Eléctrica

Este tipo de fenómeno produce una descarga eléctrica de gran energía provocada por una diferencia de potencial. Las corrientes del rayo alcanzan valores de 10 a100 KA, con tiempos de aumento de unos pocos microsegundos, el rayo provoca daños considerables; incendios, cortes en el suministro de energía eléctrica, destrucción de transformadores y equipos electrónicos entre otros, continuación se listan las principales características de estas descargas: • Descargas cercanas de un rayo ya sean a tierra o entre nubes, produce campos electromagnéticos que pueden inducir voltajes en los conductores de los circuitos primarios y secundarios. • Descargas a tierra de un rayo producen que la corriente que fluye se acople a la impedancia de la malla de tierra, causando diferencias de voltaje a lo largo y ancho. • La acción de pararrayos de tipo abertura al limitar súbitamente el voltaje primario, se acopla a través de la capacitancia de un transformador y produce transitorios de voltaje adicionales a aquellos que se inducen por la misma acción del transformador. • Descargas directas a circuitos de alta tensión, inyectan altas corrientes que producen voltajes que o bien fluyen a través de la resistencia a tierra y causan un cambio en el potencial de tierra o fluyen por los conductores primarios cuyos voltajes se acoplan a los circuitos secundarios por la capacitancia entre los

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devanados primario y secundario o por la inducción misma del transformador o por ambos efectos, apareciendo en los sistemas de bajo voltaje. • Descargas directas a circuitos de baja tensión, involucran muy altas corrientes y altos voltajes resultantes que pueden exceder la capacidad de soporte de los equipos. Los transitorios internos son generados dentro de la instalación eléctrica normalmente por los mismos equipos internos y dispositivos de switcheo. Son los de mayor ocurrencia, pero con magnitud pequeña que no daña a los equipos, con casos excepcionales de magnitud de forma instantánea en la figura 2 se observa a un ejemplo de este tipo de transiente. Los degrada con el tiempo y produce los que se conoce como oxidación electrónica. Los producen los motores, aires acondicionados, balastos, elevadores, arrancadores, etc., a continuación se listan las principales características de este tipo de transitorio:

Figura 2

Transiente interno • Conmutaciones menores cercanas al punto de interés, tal como el apagado de utensilios en una casa o el apagado de diversas cargas en el sistema individual.

• Transitorios periódicos (muescas en el voltaje) ocurren cada ciclo durante la operación de convertidores electrónicos de potencia, debido a un corto circuito momentáneo entre fases cuya duración se ubican en el rango de 100 µs.

• Reigniciones múltiples o rebotes durante la operación de conmutación, tal como sucede con los contactores de aire y los relevadores de mercurio, que producen transitorios de voltaje cuyas formas de onda son complejas y sus amplitudes alcanzan valores de varias veces la magnitud del voltaje normal.

• La Conmutación de bancos de capacitores para la compensación del factor de potencia cuando no hay rebotes, genera sobre-voltajes transitorios del

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orden de 1.5 a 2 veces la magnitud del voltaje normal, teniendo formas de onda de larga duración de varios cientos de microsegundos. Si durante la apertura del dispositivo que conmuta a los capacitores ocurren múltiples rebotes, el sobre-voltaje transitorio puede exceder 3 veces la magnitud del voltaje normal e involucrar niveles de alta energía.

1.2. Efectos Perturbadores

Las sobretensiones producidas por fenómenos atmosféricos o electromagnéticos llegan hasta las instalaciones de tres formas: Sobretensión conducida El rayo puede caer directamente en las líneas aéreas, propagándose la sobretensión a lo largo de varios kilómetros; llegando al usuario y derivándose a tierra a través de sus equipos figura 3 [10].

Figura 3

Sobretensión Conducida [10]. Sobretensión inducida La radiación emitida por el impacto del rayo sobre un objeto (poste, árbol, pararrayos, etc.) próximo a líneas eléctricas o telefónicas, induce corrientes transitorias en éstas figura 4 [10].

Figura 4 Sobretensión Inducida [10].

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Aumento del potencial de tierra Cuando un rayo cae directamente al suelo o a través de una estructura conectada a tierra (puede ser un poste eléctrico, un pararrayos, etc.) la corriente de descarga del rayo puede elevar el potencial de tierra varios miles de voltios como consecuencia de la corriente que circula por el terreno figura 5 [10].

Figura 5 Aumento del potencial de tierra [10].

Hay dos modos en los que la perturbaciones se presentan ante los equipos: Modo común o asimétrica: Perturbaciones entre un conductor activo y tierra (fase-tierra ó neutro-tierra), con riesgo de perforación dieléctrica, Figura 6. Modo diferencial o simétrica (normal): Perturbaciones entre conductores activos (fase-fase ó fase-neutro), especialmente peligrosas para los equipos informáticos, Figura 6 [11].

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Figura 6 Modos de propagación [11].

2. Sistemas de Protección El objetivo de un sistema de protección es evitar el fallo o destrucción de los equipos importantes en una instalación, se tienen sistemas internos y externos de protección, estos constituyen una combinación de protección contra descargas de rayo y contra sobretensiones de origen interno, el objetivo en este estudio esta enfocado al sistema de protección interna.

Figura 7 Curva ITI de Soportabilidad de los equipos

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Los equipos eléctricos y mas los electrónicos, son sensibles a los cambios transitorios de tensión, de acuerdo con el porcentaje de variación de su magnitud y el tiempo de duración, se distinguen ciertas características como son: surges notch, swell, sag etc. los cuales afectan los equipos, como por ejemplo en la curva de la ITI figura 7, se pueden observar ciertas tolerancias y limites de variaciones de tensión que algún equipo puede soportar. Lo importante es entender que todos los equipos cumplen esta característica según sus niveles de tensión de trabajo y tolerancias de fabricación. Cada usuario define que tan critico y costoso para su operación es la disponibilidad de un equipo; podemos estar hablando de un sistema de control, un servidor es una entidad financiera, de un tomógrafo, etc., equipos que además de ser costosos, su falla en la operación significa perdida de millones de dólares. Esto nos lleva en nuestro proceso de selección a conocer los valores propios de vulnerabilidad de cada equipo a proteger. En este proceso de selección es importante conocer el origen de las sobretensiones, tal como se describió en el apartado 2, de este articulo. De otro lado, quizás estas sobretensiones no solo sean la causa de mal funcionamiento y averías de equipos, lo cual nos induce a realizar un trabajo mas profundo en el tema de calidad de Energía, el impacto de los disturbios sobre los equipos se muestra en la figura 8.

Figura 8 Impacto de los disturbios sobre los equipos

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La selección adecuada de un sistema de protección, es una instalación particular debe cumplir con criterios técnicos de ingeniería, previa revisión de las instalaciones, diagrama unifilar actualizado, diagramas de cableado, mediciones de acuerdo con el origen de las sobretensiones. Se deben identificar las zonas de la instalación, según IEC-61312;LPZ0a, LPZ0Bb, LPZ1, LPZ2, las cuales se pueden visualizar más fácilmente en el siguiente diagrama unifilar: Estas zonas son particulares para cada instalación dependiendo del area cubierta por los pararrayos, apantallamiento (jaula de faraday, o estructura metálica o de concreto), armarios etc. es importante entender el objetivo principal de un sistema interno de protección: es drenar la máxima corriente (absorbiendo energía) y dejar en los bornes del equipo a proteger la menor tensión, por debajo de su BIL; esto es. Coordinación por aislamiento. En la practica, con las tecnologías actuales es difícil conseguir esto con uno solo dispositivo, de tal forma que esto lleva a realizar este trabajo de forma escalonada o en cascada, varios dispositivos que deben trabajar coordinadamente.

2.1. Protecciones de Estado estable y transitorios En las redes de baja tensión la mayor tendencia es a confundir las protecciones de estado estable con las de estado transitorio. Las protecciones de estado estable son las que comúnmente encontramos en los tableros de distribución y en los tableros de las instalaciones, comúnmente llamados tacos o automáticos en la jerga técnica, estos dispositivos tiene como finalidad primordial proteger la red que los alimenta de sobrecargas y fallas de frente lento que manejen altas corrientes, las curvas de protección de estos dispositivos detectan corrientes en un tiempo del orden de los 400 a 1000 useg, por lo que ante fenómenos transitorios de frente rápido son inconvenientes. Por otro lado los SPD (Surge Protector Devices), son dispositivos que tienen como finalidad proteger los equipos y no la red, la curva de protección de estos dispositivos es drenar la mayor cantidad de corriente posible en el menor tiempo reduciendo el voltaje remanente entre sus terminales, en la figura 9 se observa la diferencia entre estos dos tipos de protecciones, para nuestro estudio con concentraremos en los supresores de transientes.

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Figura 9 Curva de protecciones de estrado estable y Transitorios

2.2. Surge Protector Devices (SPD) Los supresores de voltaje son equipos destinos a proteger los equipos sensibles se sobrevoltajes de frente rápido duración corta y alta magnitud, existen muchas clases y tecnologías, las cuales deben entenderse para escoger la mas adecuada dependiendo de su función.

2.2.1. Clases Hay diferentes clases de SPD dependiendo del tipo de instalación y de conexión de los equipos, hay SPD que protegen los equipos directamente de la línea de alimentación este tipo de supresores se reconocen por lo general porque se ubican en el tablero de distribución seguido de los automáticos, vienen en todos los tipos de configuración para una adaptabilidad al sistema eléctrico, se consiguen mono a tri-fasicos, en la figura 10 se ilustra un SPD de esta clase.

Figura 10. SPD clase 1

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Hay otra clase los cuales son mas pequeños y se instalan a la salida del tomacorrientes cerca a la alimentación de la carga, esta clase de SPD es utilizada para asegurar una protección de alto grado, y por lo general se utiliza cuando se quiere asegurar un equipo valioso y no se cuenta con un sistema de seguridad seguro, en la figura 11 se pueden observar algunos ejemplos los cuales varían dependiendo el tipo de conexión del equipo.

Figura 11. SPD clase 2

La tercera clase de SPD protege las líneas de información, este tipo de supresor se instala cerca de los racks o pacth panels que administran las redes de computadoras o también en los tableros de distribución eléctrica, por lo general tienen salida para cable UTP, que es el mas común en las redes de datos, en la figura 12 se ilustra este tipo de SPD

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Figura 12. SPD clase 3

La última clase SPD es la que viene para aplicaciones especiales, su conectores dependen del tipo de conexión de la carga y por lo general están cerca del equipo a proteger en la figura 13 se muestran algunos ejemplos.

Figura 13. SPD clase 4

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2.2.2 Tecnologías El propósito de los supresores de sobrevoltajes transitorios es el de proteger al equipo electrónico sensible. Los supresores se pueden clasificar de acuerdo a la conexión con la carga que protegen. La conexión puede ser en paralelo o en serie con la carga, siendo la conexión en paralelo la más común. El supresor de sobrevoltajes transitorios conectado en paralelo y el pararrayos tienen el mismo principio de operación; cuando el voltaje en terminales de éstos aumenta, la resistencia del elemento de protección disminuye, dejando pasar más corriente. Los dispositivos paralelos se pueden clasificar a su vez en dos tipos: · Sujetadores de voltaje, “voltage clamping devices”, · Dispositivos de arco, “crowbar devices”

Figura 14. Curva y Símbolo del Diodo Supresor

Ambos tipos de protectores (supresores) paralelo drenan corriente cuando el voltaje aumenta por arriba del valor de ruptura. Los sujetadores de voltaje recuperan el estado de circuito abierto cuando el voltaje disminuye por debajo del nivel de ruptura, mientras que los de arco entran en conducción cuando el voltaje está muy por arriba del voltaje de arco (digamos un 50% por arriba de dicho voltaje), una vez en conducción el voltaje en terminales cae repentinamente a ese voltaje de arco y se mantiene casi constante. Entre los dispositivos sujetadores de voltaje se tienen los siguientes: · MOV, varistor de óxido metálico, Figura 15. · Celdas de selenio · Diodos de avalancha, protectores zener, Figura 14.

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Figura 15. Curva y Símbolo del Supresor MOV

Entre los dispositivos de arco se encuentran los siguientes: · Tubos de gas, Figura 16 [12]. · Puntas metálicas con separación pequeña, entrehierros · Puntas de carbón con separación pequeña · Tiristores

Figura 16. Curva y Símbolo del Tubo de Gas

Estos dispositivos tiene la capacidad de manejar grandes corrientes ya que el voltaje en sus terminales disminuye en forma importante cuando están en estado de conducción. Se utilizan frecuentemente en protectores telefónicos y en protectores de líneas de datos.

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Figura 17 Supresor Tipo Arco Tubo de gas [12].

Hoy en día la mayoría de los fabricantes tienen diseños compuestos de configuración de MOVs, Diodos zener, GDTs etc, y en uno o mas elementos de estos, siendo estas las de mejor desempeño, tal como los mostrados en la tabla.

Tabla 2 Características de los SPD dependiendo el tipo de Tecnología de –construcción CARACTERISTICAS TIPICAS Elemento Curva V -1 Velocidad Energia Fuga Costo Ideal pron-plana rapido alta cero bajo Mov Pron-No lin. media alta alta bajo Tristor Pron-plana media alta baja medio GDT Pron-No lin. media alta cero medio SAD Pron-plana rapida bajo bajo medio Hibrido Pron-plana rapida alta bajo medio

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2.2.3 Parámetros Considerado la protección de sistema de alimentación en corriente alterna o continua, algunos de los parámetros importantes son: Las especificaciones generales mínimas para estos DPS (GDT) en baja tensión son: ♦ tensión nominal: de acuerdo con nivel de tensión L-Na usar. ♦ Tensión de protección: según categoría o zona ♦ Capacidad de energía. ♦ Corriente de rayo de prueba; según categoría. frecuencia nominal; 60Hz ♦ tiempo de respuesta menor igual 50 ns ♦ corriente de derivación o fuga menor igual 5 uA ♦ herméticamente cerrados. 3. Normatividad Para la construcción de un modelo valido el cual suministre resultados validos se deben tener en cuenta las normas para la ubicación y configuración de los SPDs, así como de los diferentes niveles de protección que debe tener la carga.

3.1. IEEE La norma ANSI/IEEE, establece mediante categorías el ambiente eléctrico en el cual va a ser instalado el SPD, también caracteriza los transientes en sistemas de baja tensión mediante curvas las cuales deben ser usadas para el modelamiento de estos fenómenos. Los supresores de sobrevoltajes transitorios también se pueden clasificar de acuerdo a su ubicación. De acuerdo al “IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits” [1], se tienen las categorías A, B y C. La Figura 18 [1] ilustra la ubicación de las tres categorías.

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Figura 18. Categorías de Ubicación según IEEE [1].

Para cada clase hay una forma de onda de prueba siendo la de mayor exigencia la de clase C seguida de la de clase B y por ultimo clase A. Para cada tipo de categoría de ubicación hay una categoría de exposición asociada a la intensidad de exposición ante eventos transitorios la cual se define en Alta, Media o Baja para cada categoría.

3.2. IEC La norma IEC60664-1, establece niveles de voltaje transientes dependiendo de cada categoría, caracteriza los transientes de baja tensión y sugiere formas de onda para las pruebas de protección de los equipos, las zonas se observan en la figura

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Figura 19. Zonas de Instalación según IEC

Esta norma establece zonas de instalación, siendo la LPZ 0a la de mayor riesgo y la LPZ 2 la de mayor sensibilidad de los equipos.

3.3. UL UL 1449, establece las características de deben cumplir los supresores de voltaje, de cada fabricante con ciertas especificaciones de uso dentro de todas las areas (eléctricas, mecánicas, etc.)

3.4. Normas Colombianas El Reglamento de Normas Técnicas Colombianas RETIE especifica que toda instalación debe disponer de un SPD según las necesidades y dependerá de una evaluación técnica objetiva del nivel de riesgo por sobretensiones Transitorias a que pueda ser sometido dicho equipo o instalación.

3.5. Comparación entre la IEEE y la IEC

Observando las diferentes variaciones de cada una de las dos normas y sus semejanzas se puede concluir: - La filosofía de protección contra sobretensiones en las dos normas es similar pues en cada una de estas se categoriza o se zonifica. - La tecnología IEC tiene en cuenta onda aplicada 10/350µseg pues se define LPZ0a y LPZ0b como zonas sin ninguna clase de protección las cuales pueden ser expuestas a descargas directas. Para esta clase de onda de alta capacidad de energía se ofrecen descargadores. La tecnología ANSI tiene en cuenta ondas 8/20µseg en corriente, 1.2x10µseg en voltaje que básicamente son inducciones generadas por acoplamientos generados por descargas eléctricas. La norma

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exige que el sistema de alimentación este protegido por pararrayos u otros elementos que garantizan que nunca pueda ocurrir una descarga directa en un equipo electrónico. - La diferencia mas grande dentro de las dos tecnologías es el equipo de protección de sobretensiones. Aunque los TVSS están fabricados con MOVs o diodos de avalancha, la norma NEMA LS1 exige que estos tengan alta expectativa de vida, un TVSS ANSI NEMA certificado UL generalmente esta garantizado para 10 años de funcionamiento, es decir un supresor de 120KA puede aguantar mas de 9.000 transitorios de 10KA para una categoría C3 y en un medio de alto nivel de exposición puede funcionar aprox. 15 años sin tener que reponerlo. La norma IEC ofrece en el mercado TVSS cuya expectativa de vida es corta, lógicamente su funcionamiento es similar al TVSS ANSI pero se requiere estar reponiéndolo cada vez que su vida acabe. Lógicamente el precio de una contra otra tecnología difiere ostensiblemente. Por lo tanto es preferible escoger una norma antes de ser utilizada en un estudio o proyecto para nuestro caso especifico se tomas la IEEE c62.41 En resumen los puntos de comparación entre las dos normas se ilustran en la tabla 3.

Tabla 3. Resumen de los puntos de comparación entre normas IEC e IEEE

NORMA ANSI NEMA

NORMA IEC

Normas

ANSI IEEE C62.41 y 45 UL1449 NEMA LS1 Ul1283

IEC1312 ,IEC 61644-2

Sitios a proteger

En el sistema Categoría C, B, A

En la Zona LPZ0a, 0b, 1, 2, 3

Ondas aplicadas

8/20µseg en corriente, 1.2x10µseg en voltaje

10/350µseg. 8/20µseg

Tecnologías

Ringw ave ,Varistores, Diodos de avalancha Filtros EMI/RFI

Varistores, Descargadores,Diodos de avalancha ,Filtros EMI/RFI

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PARTE II

MODELO, PARÁMETROS Y ESPECIFICACIONES

En esta parte se describe por completo el modelo propuesto para analizar los fenómenos de reflexión y oscilación en los sistemas de baja tensión, se toman en cuenta los parámetros del sistema y las diferentes especificaciones que se deben tener en cuenta en los SPD y en el cable, de igual forma el tipo de conexión y la validación por simulación del sistema y de cada uno de sus componentes, para ello se utilizo el software profesional de análisis de fenómenos transitorios,Pscad.

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1. Sistema de Conexión Se considero un sistema monofásico de baja tensión para modelar y observar los diferentes fenómenos de oscilación y reflexión debido a diferentes longitudes del cable de conexión y diferentes tipos de carga, aunque el sistema usa un cable de alimentación y uno de retorno y tierra con un mismo plano de referencia, este modelo es suficiente para analizar los fenómenos de interés y valido para sistemas de alimentación bifilar, el modelo se observa en la figura 20.

Figura 20 Modelo a simular

2. Parámetros de la Fuente Generadora

La fuente generadora de transientes, produce una onda de tipo combinada 1.2/50uS transiente de voltaje en condiciones de circuito abierto y 8/20uS en cortocircuito, la cual se referencia en la IEEEc62.41 como la forma de onda que caracteriza fenómenos de descargas eléctricas, el diagrama eléctrico de este generador y la respuesta de onda se observa en la figura 21. Tomando como referencia las categorías de utilización de los SPDs, y el propósito del estudio se toma un ambiente categoría C con nivel se exposición medio en el cual los valores pico para los transientes de voltaje y corriente son 10KV/5KA respectivamente.

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Figura 21 El diagrama eléctrico de este generador y la respuesta de onda.

3. Niveles de Tensión y Tolerancia Para representar un sistema monofásico de tensión de acuerdo a los estándares manejados en Colombia, se tomo un nivel se tensión de 240V, los cuales son el nivel de tensión de servicio al cual va estar sometido el SPD y la carga. Acorde con la IEC 60664-1, un sobrevoltaje de categoría I es seleccionado para medir el efecto de protección del SPD sobre la carga mas sensible, en el cual según la tabla 4 el sobrevoltaje máximo que puede soportar una carga es un sistema 120/240 es 800V.

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Tabla 4. IEC Definiciones de Voltajes Transiente Tolerado

Voltaje Tolerado Transiente V. Nominal

Vac Categoría I Categoría II Categoría III 50 330 500 800 100 500 800 1500 150 800 1500 2500 300 1500 2500 4000 600 2500 4000 6000

1000 4000 6000 8000

4. Supresor de Transientes El supresor utilizado se construyo con un MOV comercial y se ajustaron sus curvas para obtener una coordinación energía que cumpliera con los parámetros de protección ya establecidos.

4.1 Modelo La mayoría de las especificaciones son proporcionadas por el fabricante, dependiendo la clase de SPD que se quiera utilizar, se diferencian dos clases el bloque que es MOV unitario, o el SPD integral que es un arreglo de MOVs y elementos pasivos que cumplen con ciertos requerimientos. Como se debe ubicar un supresor que disipe un transiente de frente rápido, el modelo convencional de un solo MOV en shunt con la carga es insuficiente, para ello se tomo el modelo IEEE del MOV el cual representa las características dinámicas de estos dispositivos ante transitorios rápidos, en la figura 22 se esquematiza el modelo.

Figura 22 Modelo IEEE del MOV

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4.2 Descripción del Dispositivo Comercial El cálculo de las curvas de cada bloque de A0 y A1, para determinada función dependiendo de las especificaciones antes mencionadas, así como el cálculo de los diferentes valores de los elementos pasivos se proponen en IEEE. Dentro de los productos comerciales se escogieron los MOV VL250LA10 y VL275LA10 para A0 y A1 respectivamente del fabricante LittelFuse, las características V-I se muestran en la figura 23, las especificaciones se puede encontrar en [14].

Figura 23 Características V-I

4.3 Parámetros

Para seleccionar un SPD adecuado para nuestro estudio se deben tener en cuenta mínimo las siguientes especificaciones que se deben se proporcionadas por el fabricante en su datasheet: ♦ Tensión nominal: de acuerdo con nivel de tensión L-N a usar. ♦ Tensión de protección: según categoría o zona ♦ Capacidad de energía. ♦ Corriente de rayo de prueba; según categoría. frecuencia nominal. ♦ Tiempo de respuesta menor, preferible menor o igual 50 ns ♦ Corriente de derivación o fuga menor igual 5 uA

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♦ herméticamente cerrados. ♦ Voltaje máximo de operación. ♦ Corriente Máxima de descarga ♦ Corriente Nominal de descarga ♦ Relación V-I del varistor si es un bloque unitario.

4.4 Validación Una vez establecido el modelo se procedió a calcular los elementos pasivos, y a validar mediante simulación. Calculo de los elementos pasivos:

1040124016.16.1

==

==

RuHL

nFCpFLo

R0 es despreciable, de esta forma se evaluó el desempeño del modelo con el diagrama circuital, figura 24.

Output Measurements

MOVvolts

306.297

MOVcurrent

0.111113

MOVenergy

64.2395

TimeM

6e-005

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Figura 24 Desempeño del MOV

5. Parámetros del Cable El cable es de cobre con núcleo sólido y aislamiento sencillo, el diámetro del núcleo es de 1.6mm, el ancho del aislamiento 0.6mm, la constante dieléctrica relativa del núcleo es 4.55, su resistividad 1.724^10-8, y el cable esta sobre 50mm del plano de tierra, figura 25.

Co=452.3 pF/m Lo=3.0685uH/m Zo=82.4Ω

Figura 25 Parámetros de cable

Las dimensiones del cable se muestran en la figura 26, El modelo dependiente de la frecuencia por fase es basado en un sistema R - L - C , y todos los parámetros son dependientes de la frecuencia. Estudios que implican transitorios deben usar este modelo.

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Figura 26 Dimensiones del cable

6. Software y Método de Simulación.

El software utilizado es Pscad el método de simulación es el de variación por frecuencia en donde todos los parámetros dependen de la frecuencia en la figura, se observa la configuración seleccionada, figura 27

Figura 27 Parámetros de Simulación

En el análisis se tomaron los siguientes valores para la simulación tabla 5

Tabla 5. Valores de la Simulación

D 1,10,100 [m] C 10,1000,10^5 [pF] L 1,10,100 [uF] R 10,10,1000 [Ohm]

Otros 10R//10pF;1000R//10nF; 10R//0.1uF;10R+1uH;

10R+100uH;1000+10uH [Ohm]

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PARTE III

SIMULACION Y ANALISIS DE SENSIBILIDAD En esta parte se toma el modelo, y se efectúa el análisis de sensibilidad variando los diferentes parámetros importantes, se detalla en cada simulación el fenómeno de oscilación y reflexión, para luego hallar la distancia efectiva de protección del SPD.

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1. Sistema sin Protección Cuando no se tiene en cuenta la presencia del SPD y es inyectada una onda combinada, los voltajes generados en los puntos 1 y 2 de la figura 2, son mostrados en la figura 28.

voltaje de entrada sin SPD

0.000 0.010m0.020m0.030m0.040m0.050m

-11.0k-10.0k-9.0k-8.0k-7.0k-6.0k-5.0k-4.0k-3.0k-2.0k-1.0k

Voltaje [KV]

Vin1m Vin10m Vin100m

-18.0k-16.0k-14.0k-12.0k-10.0k-8.0k-6.0k-4.0k-2.0k0.0

y

Vout1m Vout10m Vout100m

Figura 28 Voltajes sin SPD en puntos 1 y 2

Se pude observar que el voltaje transiente sobre la carga tiene una amplificación y oscilación sobre el valor nominal de la onda la cual excede el límite de soportabilidad de la carga. Cuando se instala los MOV, y se varían las especificaciones antes mencionadas se obtienen los siguientes resultados.

2. Análisis de Sensibilidad Ahora se varia la distancia y el tipo de carga para observar el comportamiento del sistema y el nivel de protección del SPD.

2.1 1 Metro de Distancia entre el SPD y la Carga Cuando la carga es resistiva se puede observar, que el nivel de protección del SPD es importante, reduce la amplitud de la onda y limita el transiente

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ubicándolo dentro de un rango aceptable para la carga, en ambos puntos SPD y carga la forma de onda del voltaje es similar, se observa que no hay fenómeno de reflexión por el cable ni oscilación alguna, los resultados se puede observar en la figura 29. Para diferentes cargas la variación del voltaje es mínima en los dos puntos lo que refleja que el SPD es robusto es su efecto de supresión. Cuando la carga es puramente inductiva, los resultados se pueden observar en la figura 30. Si carga es pequeña el pico del voltaje es casi totalmente suprimido, con el incremento de la carga se incrementa el pico con una pequeña oscilación pero no presenta efectos de amplificación nocivos para la carga, en los dos puntos las formas de onda son similares.

Figura 29 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Resistiva

Para las cargas puramente capacitivas los resultados de las simulaciones se pueden observar en la figura 31. Al igual que en la resistiva el SPD brinda un efecto de protección alto, se observa oscilaciones causadas por el cable en la carga así como un efecto de amplificación en la amplitud, para cargas grande el valor pico excede el valor de seguridad de la carga por lo que en este caso la línea evita que el supresor cumpla su papel a pesar de la robustez del mismo, cuando las cargas son pequeñas las oscilaciones se incrementan pero su amplitud disminuye.

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Figura 30 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Inductiva

Para las cargas combinadas se observa que el comportamiento es muy similar al que tiene el sistemas para cargas resistivas, debido a que la resistencia del cable, es muy pequeña comparada con el componente resistivo de la carga, se observa una oscilación debida al incremento de la impedancia equivalente del sistema, los resultados se observan en las figuras 32 y 33. Para estos casos un análisis de parámetros concentrados seria ideal y arrojaría resultados muy parecidos.

Figura 31 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Capacitiva

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Figura 32 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva e inductiva

Figura 33 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva y capacitiva

2.2 10 Metros de Distancia entre el SPD y la Carga Cuando se incrementa la distancia en el caso puramente resistivo, para cargas pequeñas los resultados obtenidos en el caso de 1 metro son similares, mientras que para cargas grandes se presenta oscilaciones debido a la desadaptacion de impedancias, presentándose reflexión, en esta caso el pico de la oscilación alcanza el valor máximo permitido por la carga, por lo que se concluye que la protección no es efectiva, los resultados de la simulación se observan en la figura 34. Cuando la carga es capacitiva se observa un incremento en la oscilación así como en su amplitud en el lado de la carga, con un tiempo de amortiguamiento muy lento, a pesar que en la entrada de la línea se tiene valores permisibles el efecto de resonancia con los elementos inductivos y capacitivos de la línea

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hace que todos los valores de la carga excedan el umbral de protección y se destruya el equipo a proteger, los resultado se observan en la figura 35.

Figura 34 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Resistiva

Figura 35 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Capacitiva

Cuando la carga es puramente inductiva, los resultados se pueden observar en la figura 36. Si carga es pequeña el pico del voltaje es casi totalmente suprimido por la línea mas no por el SPD, con el incremento de la carga se incrementa el pico con una pequeña oscilación pero no presenta efectos de amplificación nocivos para la carga, es aconsejable tener precaución debido a los parámetros térmicos y mecánicos del cable ya que este esta absorbiendo toda la energía para cargas inductivas pequeñas.

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Figura 36 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Inductiva

Figura 37 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva e inductiva

Para las cargas combinadas figuras 37,38 se observa que el comportamiento es muy similar al que tiene el sistemas para cargas resistivas pero hay un incremento en las oscilaciones y amplitud que hace que se incremente a valores de destrucción del equipo para el caso de carga capacitiva, debido a que la resistencia del cable, es muy pequeña comparada con el componente resistivo de la carga, pero la remarcada capacitancia e inductancia distribuida del cable hacen que se presente este fenómeno oscilatorio. En estos casos es evidente el efecto de la línea sobre el voltaje sobre la carga.

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Figura 38 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva y capacitiva

2.3 100 Metros se Distancia entre el SPD y la Carga Para este caso es muy notable la severa oscilación que se presenta así como la amplificación y reflexión en el sistema, para las cargas puramente resistivas para valores altos se tiene una amplificación pico que alcanza valores muy por encima del nivel de destrucción del equipo también se observa que la frecuencia de oscilación disminuye pero la onda se amplifica los resultados se observan en la figura 39. Para cargas capacitivas el resultado se observa en la figura 40, todas las cargas exceden el limite tolerable por lo que el equipo se destruiría, a pesar que se disminuye la frecuencia de oscilación la amplificación debido a la resonancia del circuito incrementa la amplitud de las ondas, este seria un caso en el que un banco de condensadores amplificara un transiente

Figura 39

Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Resistiva

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Figura 40

Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Capacitiva Para el caso de carga inductiva los resultados se aprecian en la figura 41. Se observa un resultado muy similar al de 10m pero, en este caso para cargas inductivas grandes el pico del transiente alcanza el valor de soportabilidad del equipo, mientras que para cargas pequeñas su valor es casi nulo, este resultado es considerable en motores que amplifiquen transientes.

Figura 41

Voltajes en los puntos 1 y 2 carga Inductiva

Figura 42 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva y capacitiva

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Figura 43 Voltajes en los puntos 1 y 2 carga combinada Resistiva e inductiva

Para el caso de ondas combinadas los resultados se observan en las figuras 42 y 43, en donde se tiene un comportamiento muy parecido al resistivo, y los picos de oscilación exceden el valor de daño del equipo. De estos resultados cuando se incrementa la longitud del cable de conexión en voltaje en la carga excede 2 veces el de el SPD, cuando la carga es resistiva la oscilación es dada por reflexión mientras que en cargas capacitivas e inductivas la oscilación es regida por el circuito resonante del sistema. En todos los casos se observa las virtudes de protección de los SPD sobre la carga a proteger, pero los efectos de la línea de transmisión del cable causa que el SPD falle en su objetivo de proteger la carga, aun con una correcta coordinación de energía.

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PARTE IV

MODELO MATEMATICO En esta parte se explica mediante un modelo matemático los fenómenos de oscilación y reflexión, se sustentan los resultados obtenidos en las simulaciones y se explica los diferentes métodos de análisis para hallar la distancia efectiva.

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1. Líneas de Transmisión El modelo matemático se basa en la teoría de líneas de transmisión, el acople de impedancias, nos proporcionan el coeficiente de reflexión y transmisión de la onda sobre la línea de transmisión, de esta manera se pueden hallar los voltajes y corrientes en función de estos dos parámetros en cualquier punto de la línea, de esta manera analizamos el fenómeno se reflexión, que se da cuando tenemos una carga resistiva. El circuito equivalente de línea de transmisión se muestra en la figura 44, según lo establecido con la onda combinada se obtiene una impedancia de fuente de 2 Ω, tomando Zin como la impedancia de entrada, es 2 Ω//82.4 Ω, este ultimo valor siendo la impedancia característica de la línea, entonces para diferentes tipo de carga vamos a tener diferentes valores de transientes a la entrada y a la salida de la línea.

Figura 44 Circuito equivalente

2. Fenómeno de Reflexión 2.1 Carga Resistiva

Tomando Z1 = R//Rs y Zl=carga, después de que el SPD, opera en esta de supresión tenemos un V1 a la entrada de la línea y un V2 en la carga, los respectivos coeficientes de Reelección y Transmisión en las dos terminales del cable son:

0101

1 ZZZZ

+−

=Γ 01

121 ZZ

Z+

=Τ (1)

00

2 ZZLZZL

+−

=Γ 0

22 ZZL

ZL+

=Τ

En donde 1Γ , 2Γ son los coeficientes de reflexión en los puntos 1 y 2 respectivamente y 1Τ , 2Τ son los de transmisión en los puntos 1 y 2, la forma de onda del voltaje de Clamplig y la residual se puede aproximar a una onda de

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tipo pulso como la que se ilustra en la figura 45. Mediante el diagrama de Lattice el cual incluye múltiples reflexiones de la onda de puede hallar el V2:

Figura 45

Onda de tipo pulso

21

212112 1

)(1ΓΓ−

ΓΓ−ΤΤ=

N

VV (2)

De esta forma el voltaje V2, depende proporcionalmente de V1 por un factor que contiene los coeficientes de reflexión, transmisión. De esta manera se puede generalizar el fenómeno de reflexión debido a cargas en dos casos: tomando ZL > o < Z0, de esta forma se puede se puede hallar el voltaje en V2 para ambos casos la respuesta se obtenida de [2]. se observa en la figura 46.

ZL>Z0

ZL>Z0

Figura 46 Casos de estudio para fenómeno de Reflexión

Se observa que para el caso donde la impedancia de carga es mayor que la característica del cable se presenta una amplificación de la onda en forma oscilatoria debido al fenómeno de reflexión, por otro lado en el caso contrario se presenta una pequeña oscilación pero sin amplificación de la onda, para el primer caso cuando la longitud del cable es mayor esta presenta y la carga sea mayor, las oscilaciones tendrán mayor amplitud superando el voltaje máximo de protección del equipo.

3. Fenómeno de Oscilación 3.1 Modelo Analitico

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Figura 47 Circuitos equivalentes

Para las cargas inductivas y capacitivas se hace un equivalente π de la línea y se obtienen los circuitos observados en la figura 47, debido a que la capacitancia C/2 del lado izquierdo del circuito esta en paralelo con la fuente de Onda, se puede despreciar, Cs=Ct(carga)//(C/2), acorde con estos circuitos se deducen las siguientes ecuaciones para la carga capacitiva e inductiva:

3.2 Cargas Capacitiva e Inductiva

UsUdt

UdLCs =+ 22

2

(3)

Carga capacitiva

sUUdt

UdCL ´22

2´´ =+ (4)

Carga inductiva

Donde: )(´

LolLtLtLo

L+

= , )2/(´ ColC = ; UsLolLt

LtsU )(´

+=

Tomando Us como una onda tipo pulso el voltaje V2 es:

V2=E[1-cos(wt)] (5)

Donde LCsw 1

= , L=Lol (6)

Para el caso inductivo es igual, hallando la respuesta escalón del se tiene: y(t)=1-cos(wt), por convolución se puede hallar la respuesta del sistema a cualquier transiente. Utilizando la forma de onda pulso para este caso y la respuesta al escalón en la integral de convolución se obtiene:

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btwtsenobtwsenowb

EEU

btwwt

bEU

para

para

≥⎯⎯ →⎯−−⊗+=

≤⎯⎯ →⎯−⊗=

),()(([1

),)cos(1(1

2

2

(7)

Entonces la máxima distancia de protección efectiva se estima fijando en máximo V2 para diferentes longitudes de cables en un intervalo de tiempo determinado.

4. Recomendaciones y Distancia Efectiva Como se pudo observar la distancia efectiva de en la que el SPD brinda un nivel protección apropiado varia dependiendo de las propiedades de la carga, los parámetros del cable como son la impedancia característica, la inductancia y capacitancia, estos últimos generan las oscilaciones como se observa en la ecuación (7), la longitud del cable, y los parámetros del SPD. Una vez evaluado cada una de las distancias con diferentes cargas se observo que en las cargas resistivas el fenómeno de amplificación y oscilación es consecuencia de la desadaptacion de las cargas y de la longitud del cable, la cual hace crecer las oscilaciones y la magnitud de las mismas. En el caso de la carga capacitiva la longitud del cable hace que las oscilaciones disminuyan su frecuencia pero por efectos de resonancias de incrementa su amplitud, también se pudo observar que a menor carga capacitiva se incrementa las oscilaciones pero la amplitud de las misma disminuye, esto es un claro ejemplo de la actuación de los bancos de condensadores si fueran cargas únicas de un circuito. En el caso de la carga inductiva la longitud del cable tiene un efecto de amortiguamiento para cargas menores a 100uH, lo que es bastante bueno, para cargas mayores hay un efecto oscilatorio pero no supera el umbral de daño del equipo, se debe tener cuidado con la capacidad térmica del cable ya que la energía de la onda es absorbida por este y se puede llegar a la destrucción del cable, para longitudes pequeñas se presenta un comportamiento oscilatorio tenue, pero no causa daño al equipo. Para cargas combinadas el efecto del cable disminuye la frecuencia de las oscilaciones pero incrementa de forma drástica la amplitud de los picos, dando como consecuencia daño al equipo a proteger, también se observa que en todos los casos predomina la influencia resistiva, y las oscilaciones están dadas por fenómeno de reflexión, ya que el componente resistivo de la carga es capas de consumir gran energía, así que su desempeño es similar al de la carga resistiva.

Tabla 6 Distancia Efectiva para Carga Resistiva

Carga < ZoΩ 100Ω 1000Ω

Distancia Efectiva cualquier < 10m <50m

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Tabla 7 Distancia Efectiva para Carga Capacitiva

Carga 10pF 1000pF 10^5pF

Distancia Efectiva <1m <1m <1m

Tabla 8 Distancia Efectiva para Carga Inductiva

Carga 1uH 10uH 100uH

Distancia Efectiva cualquier cualquier <100m Se puede recomendar basado en los resultados obtenidos, que para la ubicación de solo un nivel de protección desde el tablero principal se deber tener muy en cuenta las propiedades de las cargas y de esta forma determinar la distancia máxima del cable con ayuda de las tablas IV a VIII donde se resume las distancias efectivas para cada tipo de carga, también las características del supresor en sus voltajes remanentes hacia la carga y en la selección de los niveles de protección y tolerancia ante fenómenos, en la escogencia del SPD se debe tener en cuenta que en la selección adecuada de un sistema de protección, es una instalación particular debe cumplir con criterios técnicos de ingeniería, previa revisión de las instalaciones, diagrama unifilar actualizado, diagramas de cableado, mediciones de acuerdo con el origen de las sobretensiones. Se deben identificar las zonas de la instalación, según las normas y recomendaciones internacionales, estas zonas son particulares para cada instalación, finalmente es importante que para los casos en los que la tensión excede mas del 30% del voltaje de máximo soportado, realizar una coordinación de aislamiento con elementos de cascada evaluando las diferentes tecnologías.

Tabla 9

Distancia Efectiva para Carga Resistiva y Capacitiva

Carga 10Ω//10pF 1000Ω//1000pF 10Ω//10^5pF Distancia Efectiva cualquier <100m cualquier

Tabla 10 Distancia Efectiva para Carga Resistiva e Inductiva

Carga 10Ω+1uH 10Ω+100uH 10Ω+10uH

Distancia Efectiva cualquier cualquier <100m

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CONCLUSIONES Se construyo un modelo de sistema valido, que utiliza componentes comerciales y se ajusta a las normas y recomendaciones internacionales, siendo valido y consecuente con resultados claros y coherentes para el sistema colombiano. Se demostró la importancia de las protecciones en los sistemas de baja tensión, como característica importante al momento de diseño de las redes eléctricas asegurando el correcto funcionamiento de los equipos así como la integridad de los mismos. Se presento un modelo de SPD el cual utiliza componentes del mercado y es valido para el estudio de fenómenos transientes de frente rápido, se evaluaron sus diferentes características y se dieron recomendaciones básicas al momento de requerir instalar un dispositivo de este tipo, es claro que el SPD y su desempeño cumple un rol importante en al evaluación de la distancia optima. Se presento la distancia óptima de ubicación para diversas cargas validadas sobre simulación y se presento un modelo matemático el cual demuestra la naturaleza de los fenómenos de reflexión y oscilación. Aunque el voltaje, a pesar de la cargas oscila y presenta amplificación a medida que se incrementa la longitud del cable, se observo que para cargas resistivas los parámetros del cable cumplen un rol importante dentro de los fenómenos de reflexión y oscilación que presenta la onda en el SPD como en la carga. Se demostró que para diferente tipos de carga, el SPD tiene su propia distancia efectiva entre el SPD y carga. Se evaluó además de la distancia óptima de ubicación, el nivel de protección de los SPD, sobre diferentes cargas con el más alto nivel de sensibilidad de la carga ajustado a las normas y recomendaciones internacionales. Finalmente se logro efectuar un trabajo integral que reúne aspectos teóricos, técnicos, analíticos y prácticos a un nivel de simulación, dando recomendaciones practicas para específicos casos, y que exige una alta comprensión de la ingeniería, ya que las protecciones cada día requieren mayor exigencia a medida que evolucionan las instalaciones.

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