Aprenda sobre la protección contra sobretensiones y rayos

Una sobretensión, también conocida como voltaje transitorio o pico, se refiere al fenómeno en el que el voltaje excede el voltaje de funcionamiento normal durante un breve momento. Básicamente, una sobretensión es un pulso de voltaje rápido que se produce en microsegundos. Las causas comunes de las sobretensiones incluyen el arranque o apagado de equipos pesados, cortocircuitos, conmutación de energía y el funcionamiento de motores grandes.

Las sobretensiones pueden causar graves daños a los equipos eléctricos. Por ello, los productos equipados con dispositivos de supresión de sobretensiones pueden absorber eficazmente las ráfagas repentinas de enorme energía, protegiendo así a los equipos conectados de posibles daños. El uso de estos dispositivos de protección mejora significativamente la seguridad y la fiabilidad de los equipos eléctricos.

Características de las sobretensiones:

Sobretensiones Tienen una duración extremadamente corta, que suele oscilar entre nanosegundos y microsegundos. Cuando se producen sobretensiones, la amplitud de la tensión y la corriente supera los valores normales en más del doble. Debido a la rápida carga de los condensadores de filtro de entrada, la corriente pico de las sobretensiones es mucho mayor que la corriente de entrada en estado estable. Para abordar las sobretensiones, los diseños de las fuentes de alimentación deben considerar limitar los niveles de sobretensión que pueden soportar los interruptores de CA, los puentes rectificadores, los fusibles y los dispositivos de filtrado EMI.

Durante los procesos de conmutación repetitivos, la tensión de entrada de CA no debería dañar la fuente de alimentación ni provocar la fusión de fusibles. Este fenómeno suele durar solo unos pocos nanosegundos o milisegundos, pero sus valores de tensión y corriente superan significativamente los niveles de funcionamiento normales. Las sobretensiones son generalizadas en los sistemas de distribución y pueden considerarse omnipresentes.

Las principales manifestaciones de sobretensiones en los sistemas de distribución incluyen:

• Fluctuaciones de tensión: Las máquinas y equipos se detienen o arrancan automáticamente en condiciones normales de funcionamiento.
• Interferencia con dispositivos eléctricos: Por ejemplo, acondicionadores de aire, compresores, ascensores, bombas o motores.
• Anormalidades en los sistemas de control informático: Reinicios frecuentes e inexplicables.
• Reemplazo o rebobinado frecuente de motores.
• Vida útil más corta de los equipos eléctricos: vida útil reducida debido a fallas, reinicios o problemas de voltaje.

Las sobretensiones pueden afectar a los dispositivos electrónicos sensibles de varias maneras, entre ellas:

Dañar:

• Ruptura de tensión en dispositivos semiconductores.
• Destrucción de capas metalizadas en componentes.
• Daños en las pistas o puntos de contacto de la placa de circuito impreso.
• Daños a tiristores/triacs bidireccionales, etc.

Interferencia:

• Bloqueo del equipo, pérdida de control del tiristor o del tiristor bidireccional.
• Daños parciales a los archivos de datos.
• Errores en los programas de procesamiento de datos.
• Errores y fallos en la recepción y transmisión de datos.
• Fallos inexplicables y más.

Envejecimiento prematuro:

• Los componentes envejecen prematuramente, reduciendo significativamente la vida útil de los componentes electrónicos.
• Disminución de la calidad visual y de audio de salida.
Fuentes de sobretensiones:
Las sobretensiones pueden tener su origen tanto en fuentes internas como externas. Aproximadamente el 20 % de las sobretensiones provienen de fuentes externas, principalmente rayos y otros impactos en el sistema. Alrededor del 80 % de las sobretensiones provienen de fuentes internas, principalmente el impacto de cargas eléctricas internas.

Generador de sobretensionesSG61000-5

Las sobretensiones externas se originan principalmente a partir de rayos e incluyen:

Caídas directas de rayos: Impactos directos sobre pararrayos, pararrayos, edificios o torres de refinerías.
Radiación electromagnética de los rayos: desde el punto de impacto del rayo se irradian fuertes campos magnéticos que dañan la microelectrónica incluso si el rayo no impacta directamente sobre un edificio.
Corrientes inducidas por rayos en líneas eléctricas y de señal.
Inducción del rayo: alrededor de la descarga del rayo se forman fuertes campos magnéticos alternos que inducen voltaje en los conductores metálicos cercanos.
Altos potenciales locales inducidos por rayos.
Intrusión de rayos: los impactos directos de rayos sobre líneas eléctricas o bajantes pueden provocar sobretensiones eléctricas en las líneas eléctricas y fuertes pulsos electromagnéticos alrededor de los cables eléctricos. Estas sobretensiones inducidas pueden propagarse a los puertos de entrada de los equipos, lo que provoca un mal funcionamiento o daños en los mismos.

Las sobretensiones internas son resultado principalmente de operaciones de conmutación de equipos eléctricos dentro de la red eléctrica y otros factores, entre ellos:

Conexión y desconexión de cargas eléctricas elevadas, como aires acondicionados, compresores, bombas o motores.
Conmutación de entrada y salida de cargas inductivas.
Activación y desactivación de condensadores de corrección del factor de potencia.
Fallas de cortocircuito.
Contactos mecánicos: Interruptores mecánicos incluyendo contactos de interruptores de relé, interruptores pulsadores, interruptores de llave, potenciómetros con interruptores, etc.

Según las definiciones del IEEE, las sobretensiones se pueden clasificar en varias categorías:

• Sobretensiones de tipo pulso: el voltaje varía desde varios cientos de voltios hasta 20,000 voltios en microsegundos.
• Sobretensiones oscilatorias: el voltaje varía desde varios cientos de voltios hasta 6000 voltios en cuestión de microsegundos a milisegundos.
• Sobretensiones tipo ráfaga: picos de tensión o corriente de ciclos repetitivos.

Para proteger los equipos electrónicos de las sobretensiones producidas por rayos, se han establecido normas de prueba de inmunidad pertinentes. La norma nacional para las pruebas de inmunidad a las sobretensiones producidas por rayos para equipos electrónicos es la GB/T17626.5 (equivalente a la norma internacional IEC61000-4-5). Esta norma simula principalmente diversas situaciones provocadas por descargas indirectas de rayos, entre las que se incluyen:

• Los rayos caen sobre líneas externas, generando grandes corrientes que fluyen hacia líneas externas o resistencias de tierra, lo que resulta en voltaje de interferencia.
• Voltaje y corriente inducidos por rayos indirectos (como rayos entre nubes o dentro de ellas) en líneas externas.
• Se forman fuertes campos electromagnéticos alrededor de los objetos adyacentes a los rayos, induciendo voltaje en las líneas externas.
• Caídas de rayos cerca del suelo, donde las corrientes de tierra introducen interferencias a través del sistema de tierra común. Además, la norma simula interferencias introducidas por acciones de conmutación en subestaciones (transitorios de tensión durante las operaciones de los cuadros de distribución), como:

• Interferencia generada al conmutar los sistemas de energía principales (por ejemplo, al conmutar bancos de condensadores).
• Interferencia por pequeños cambios de interruptores dentro de la misma red eléctrica.
• Interferencia de equipos de tiristores con circuitos resonantes.
• También se simulan diversas fallas sistemáticas, como cortocircuitos y fallas de arco entre redes de puesta a tierra de equipos o sistemas de tierra.

La norma describe dos tipos de generadores de formas de onda:

• Formas de onda inducidas en líneas eléctricas: Formas de onda de sobretensión estrechas (50 µs) con frentes pronunciados (1.2 µs).
• Formas de onda inducidas en las líneas de comunicación: Formas de onda de sobretensión amplias con frentes suaves.

Pulsos de rayos simulados inducidos en líneas eléctricas debido a descargas de rayos o pulsos de sobretensión causados ​​por descargas de rayos a través de resistencia de tierra común. Los parámetros típicos incluyen voltaje de salida de circuito abierto (0.5 a 6 kV), corriente de salida de cortocircuito (0.25 a 2 kA) para diferentes niveles de prueba, resistencia interna (2 ohmios) y resistencias adicionales (10, 12, 40, 42 ohmios) para varios niveles de prueba. La polaridad de salida de sobretensión puede ser positiva/negativa y la salida de sobretensión puede sincronizarse con la fuente de alimentación con un cambio de fase de 0 a 360 grados. La frecuencia de repetición debe ser al menos una vez por minuto.

Niveles de gravedad de las pruebas de inmunidad a las sobretensiones eléctricas:

• Nivel 1: Buen entorno de protección.
• Nivel 2: Entorno con cierta protección.
• Nivel 3: Entorno de interferencia electromagnética ordinaria, sin requisitos especiales de instalación especificados para los equipos, como lugares de trabajo industriales.
• Nivel 4: Entorno con interferencias severas, como líneas aéreas civiles o subestaciones de alto voltaje sin protección.
• Nivel X: Determinado por acuerdo entre el usuario y el fabricante.