Coordinación de dispositivos de protección contra sobretensiones

Las sobretensiones producidas por rayos contienen cantidades significativas de energía que deben desviarse de los equipos vulnerables, que son los sistemas que se deben proteger de las sobretensiones. Los equipos electrónicos con la marca CE están diseñados con una determinada inmunidad a las sobretensiones incorporada de acuerdo con la norma IEC 61000-4-5. Este nivel de inmunidad será suficiente para la mayoría de los edificios de oficinas en los que los equipos vulnerables se encuentran lejos de la entrada del servicio eléctrico. Por lo tanto, los equipos que llevan la marca CE funcionarán bien sin protección contra sobretensiones en muchos entornos. Sin embargo, cuando los equipos vulnerables se instalan cerca de la entrada del servicio eléctrico o en un recinto exterior, en particular en áreas con una mala conexión a tierra física, como arena seca o roca, a menudo es necesario agregar dispositivos de protección contra sobretensiones externos (SPD). La IEC recomienda (IEC 61024) que se establezcan zonas de protección contra rayos (LPZ) para reducir sucesivamente las corrientes de los rayos en etapas, hasta alcanzar la inmunidad incorporada de los equipos vulnerables. La cantidad de zonas necesarias depende de la estructura que contenga la instalación y los equipos vulnerables. La norma IEC 61024 exige que se instale un dispositivo de protección contra sobretensiones en cada límite de zona y que no se superen los valores nominales de corriente y tensión de sobretensión de cada dispositivo. En este artículo se explica el propósito y el concepto de coordinación de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) de acuerdo con la norma IEC 61312.

Propósito de la coordinación

Reducir sucesivamente la amenaza de rayos, en etapas (SPD 1, 2 y 3) hasta alcanzar la capacidad de resistencia a sobretensiones del equipo vulnerable, sin exceder los valores nominales de corriente y voltaje de sobretensión de los SPD individuales. 

Variante I

Conceptos de coordinación

Variante I

Como se muestra en la Figura 1, la tensión nominal de los SPD es idéntica y la coordinación se logra separando cada SPD mediante una impedancia en serie. La IEC no recomienda la variante I, probablemente porque requeriría aproximadamente 30' (10 m) de cable o inductores separados entre cada SPD, lo que no es práctico cuando se instalan equipos cerca de la entrada del servicio eléctrico o en recintos exteriores.

Variante II

En la Figura 2 se muestran los voltajes nominales de los SPD. El SPD en el equipo vulnerable tiene el voltaje nominal más alto y los SPD 3, 2 y 1 tienen voltajes nominales progresivamente más bajos, lo que garantiza que cada SPD aguas arriba desviaría corrientes progresivamente más altas. La variante II es difícil de implementar ya que la mayoría de las fuentes de alimentación, sistemas de alimentación ininterrumpida y rectificadores de telecomunicaciones, con capacidad nominal de 230 V, utilizan SPD de entrada con una capacidad nominal de 275 V. Por lo tanto, reducir el voltaje nominal haría que los SPD 1 y 2 se destruyeran por fluctuaciones normales de voltaje de línea. La experiencia ha demostrado que las fluctuaciones de más del 10%, que dan como resultado 250 V, no son inusuales.

 Variante II

Variante III

Shown in Figure 3, Variant III includes a component with a non-linear current/voltage characteristic, such as a spark gap. The SPD 1 spark gap would divert the majority of the surge current and output a combined wave (similar to ANSI/IEEE C62.41-1991, Category B3, Combination Wave, 3000 A, 6000 V) to downstream SPDs 2 and 3. The voltage ratings of SPD 2 and 3 are identical, but each device will handle considerably less current thanks to the much higher energy handling capability of spark gap SPD 1. Variant III is a better choice than I or II because the spark gap is insensitive to fluctuations in line voltage. However, spark gap follow-on, short-circuit current may be an issue and the Metal Oxide Varistors (MOVs) will still be sensitive to line voltage fluctuations.

  Variant III

Variant III is a better choice than I or II as the spark gap is insensitive to fluctuations in line voltage.

Variant IV

Figure 4 shows a two-port hybrid device that incorporates cascaded stages of SPDs internally coordinated with series impedances. A hybrid device can be designed to maximize performance while reducing the undesirable characteristics of spark gaps and SPDs based on varistor or silicon-avalanche-diode technology. The use of a hybrid device eliminates the need to coordinate surge protective devices, but does not eliminate sensitivity to prolonged line over voltage.

   Variant IV

Summary

Equipment designed to conform to CE requirements has a built-in surge immunity level that is sufficient in most office applications. However, equipment installed close to the electric service entrance or in an outdoor enclosure, particularly in areas with a large number of lightning days, requires additional protection – especially if the physical ground is poor. Surge protective devices require coordination to perform well. The remnant voltage of the SPD closest to the vulnerable equipment, shall not exceed its built-in immunity level. Coordination of surge protective devices is not always easy and the best solution may be a two-port, hybrid device, which will simplify the planning and installation process. Because high line voltage will destroy varistor and silicon-avalanche devices that are rated too close to the line voltage, this must be considered when planning for protection in areas with unstable power lines.