Un protector contra sobretensiones (o supresor de picos , supresor de sobretensiones , desviador de sobretensiones , [1] dispositivo de protección contra sobretensiones ( SPD ) o supresor de sobretensiones transitorias ( TVSS ) es un aparato o dispositivo destinado a proteger los dispositivos eléctricos en circuitos de corriente alterna (CA) del voltaje. picos , que pueden deberse a diversas causas, entre ellas la caída de rayos en las proximidades, y tienen una duración muy corta, medida en microsegundos .
Un protector contra sobretensiones limita el voltaje suministrado a los dispositivos eléctricos a un cierto umbral, cortocircuitando la corriente a tierra o absorbiendo el pico cuando ocurre un transitorio, evitando así daños a los aparatos y dispositivos conectados a él.
Las especificaciones clave que caracterizan a este dispositivo son: el voltaje de fijación o voltaje transitorio al que el dispositivo comienza a funcionar, la clasificación de julios, una medida de cuánta energía se puede absorber por sobretensión y el tiempo de respuesta.
Los términos dispositivo de protección contra sobretensiones ( SPD ) y supresor de sobretensiones transitorias ( TVSS ) se utilizan para describir dispositivos eléctricos típicamente instalados en paneles de distribución de energía, sistemas de control de procesos , sistemas de comunicaciones y otros sistemas industriales de servicio pesado, con el fin de proteger contra Sobretensiones y picos eléctricos, incluidos los causados por rayos . A veces se instalan versiones reducidas de estos dispositivos en paneles eléctricos de entrada de servicio residencial, para proteger el equipo de un hogar de peligros similares. [2]
En un circuito de CA, un pico de voltaje es un evento transitorio, que generalmente dura de 1 a 30 microsegundos, y que puede alcanzar más de 1000 voltios. Los rayos que caen sobre una línea eléctrica pueden producir muchos miles, a veces 100.000 o más voltios. Un motor cuando está apagado puede generar un pico de 1000 voltios o más. Los picos pueden degradar el aislamiento del cableado y destruir dispositivos electrónicos como bombillas , cargadores de baterías, módems, televisores y otros productos electrónicos de consumo.
También pueden ocurrir picos en las líneas telefónicas y de datos cuando las líneas principales de CA se conectan accidentalmente a ellas o si les cae un rayo, o si las líneas telefónicas y de datos viajan cerca de líneas con un pico y se induce el voltaje.
Una sobretensión a largo plazo, que dura segundos, minutos u horas, causada por fallas en el transformador de potencia, como la pérdida del neutro u otro error de la compañía eléctrica, no está protegida por protectores transitorios. Las sobretensiones a largo plazo pueden destruir los protectores de todo un edificio o área. Incluso decenas de milisegundos pueden ser más de lo que un protector puede soportar. Las sobretensiones a largo plazo pueden o no ser manejadas por fusibles y relés de sobretensión .
Las sobrecorrientes son mucho más bajas en las ubicaciones de Categoría A que en las de Categoría B y C.
Las cargas de categoría A tienen más de 60 pies de longitud de cable desde la entrada de servicio hasta la carga. Las cargas de categoría A pueden estar expuestas a sobrecorrientes de 6 kV y 0,5 kA .
Las cargas de categoría B están a más de 30 pies de la entrada de servicio y a menos de 60 pies de longitud de cable desde la entrada de servicio hasta la carga. Las cargas de categoría B pueden estar expuestas a sobrecorrientes de 6 kV y 3 kA .
Las cargas de categoría C están a menos de 30 pies desde la entrada de servicio hasta la carga. Las cargas de categoría C pueden estar expuestas a sobrecorrientes de 20 kV y 10 kA . [3]
El cableado de un edificio agrega impedancia que limita la sobrecorriente que llega a las cargas. Hay menos sobrecorriente a distancias de cables más largas y donde hay más impedancia entre la entrada del servicio y la carga. [4]
Se puede usar un cable de extensión enrollado para aumentar la longitud del cable a más de 60 pies y aumentar la impedancia entre la entrada de servicio y la carga. [5]
Un protector contra sobretensiones transitorias intenta limitar el voltaje suministrado a un dispositivo eléctrico bloqueando o cortocircuitando la corriente para reducir el voltaje por debajo de un umbral seguro. El bloqueo se realiza mediante el uso de inductores que inhiben un cambio repentino de corriente. El cortocircuito se realiza mediante explosores, tubos de descarga, semiconductores tipo zener y varistores de óxido metálico (MOV), todos los cuales comienzan a conducir corriente una vez que se alcanza un cierto umbral de voltaje, o mediante capacitores que inhiben un cambio repentino de voltaje. Algunos protectores contra sobretensiones utilizan múltiples elementos.
La forma más común y eficaz es el método de cortocircuito en el que las líneas eléctricas se cortocircuitan temporalmente (como mediante una descarga de chispas) o se sujetan a un voltaje objetivo (como mediante un MOV), lo que da como resultado un gran flujo de corriente. El voltaje se reduce a medida que la corriente de cortocircuito fluye a través de la resistencia en las líneas eléctricas. La energía del pico se disipa en las líneas eléctricas (y/o en el suelo ), o en el cuerpo del MOV, y se convierte en calor. Dado que un pico dura sólo decenas de microsegundos, el aumento de temperatura es mínimo. Sin embargo, si el pico es lo suficientemente grande o largo, como un rayo cercano, es posible que no haya suficiente línea eléctrica o resistencia a tierra y el MOV (u otro elemento de protección) puede destruirse y las líneas eléctricas se derriten.
Los protectores contra sobretensiones para hogares pueden estar en regletas que se usan en el interior o en un dispositivo exterior en el panel de alimentación. Los enchufes de una casa moderna utilizan tres cables: línea, neutro y tierra. Muchos protectores se conectarán a los tres en pares (línea-neutro, línea-tierra y neutro-tierra), porque hay condiciones, como los rayos, en las que tanto la línea como el neutro tienen picos de alto voltaje que deben ponerse en cortocircuito a tierra.
Además, algunos protectores de consumo tienen puertos para cables Ethernet y coaxiales , y enchufarlos permite que el protector contra sobretensiones los proteja de daños eléctricos externos. [6]
Un supresor de voltaje transitorio o TVS es una clasificación general de componentes electrónicos que están diseñados para reaccionar ante condiciones de sobretensión repentinas o momentáneas. Uno de esos dispositivos comunes utilizados para este propósito se conoce como diodo de supresión de voltaje transitorio , un diodo Zener diseñado para proteger dispositivos electrónicos contra sobretensiones. Otra alternativa de diseño aplica una familia de productos que se conocen como varistores de óxido metálico (MOV). [7]
La característica de un TVS requiere que responda a las sobretensiones más rápido que otros componentes comunes de protección contra sobretensiones, como varistores o tubos de descarga de gas . Esto hace que los dispositivos o componentes TVS sean útiles para la protección contra picos de voltaje muy rápidos y a menudo dañinos . Estos rápidos picos de sobretensión están presentes en todas las redes de distribución y pueden ser causados por eventos internos o externos, como rayos o arcos eléctricos en motores . [8]
Las aplicaciones de diodos de supresión de voltaje transitorio se utilizan para la protección de descargas electrostáticas unidireccionales o bidireccionales de líneas de transmisión o datos en circuitos electrónicos. Los TVS basados en MOV se utilizan para proteger los sistemas electrónicos y de distribución del hogar y pueden adaptarse a perturbaciones en la distribución de energía a nivel industrial, ahorrando tiempo de inactividad y daños a los equipos. El nivel de energía en una sobretensión transitoria se puede equiparar a la energía medida en julios o relacionada con la corriente eléctrica cuando los dispositivos están clasificados para diversas aplicaciones. Estos estallidos de sobretensión se pueden medir con medidores electrónicos especializados que pueden mostrar perturbaciones de energía de miles de voltios de amplitud que duran unos pocos microsegundos o menos.
Es posible que un MOV se sobrecaliente cuando se expone a una sobretensión suficiente para que comience a conducir, pero no lo suficiente como para destruirlo por completo o para quemar un fusible de la casa. Si la condición de sobretensión persiste el tiempo suficiente como para causar un calentamiento significativo del MOV, puede provocar daños térmicos al dispositivo y provocar un incendio. [9] [10]
Muchas regletas tienen incorporada protección básica contra sobretensiones; Por lo general, estos están claramente etiquetados como tales. Sin embargo, en países no regulados hay regletas etiquetadas como protectores de "sobretensiones" o "picos" que solo tienen un capacitor o circuito RFI (o nada) que no brindan una verdadera (o ninguna) protección contra picos.
Un descargador de sobretensiones , un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) o un supresor de sobretensiones transitorias (TVSS), se utiliza para proteger equipos en sistemas de transmisión y distribución de energía. El criterio de energía para diversos materiales aislantes se puede comparar mediante la relación de impulsos. Un pararrayos debe tener una relación de impulso baja, de modo que una sobretensión incidente en el pararrayos pueda derivarse a tierra en lugar de pasar a través del aparato.
Para proteger una unidad de equipo de transitorios que ocurren en un conductor conectado, se conecta un descargador de sobretensiones al conductor justo antes de que ingrese al equipo. El disipador de sobretensiones también está conectado a tierra y funciona dirigiendo la energía desde un transitorio de sobretensión a tierra si ocurre, mientras aísla el conductor de tierra en voltajes de funcionamiento normales. Esto generalmente se logra mediante el uso de un varistor , que tiene resistencias sustancialmente diferentes a diferentes voltajes.
Los descargadores de sobretensiones generalmente no están diseñados para proteger contra un rayo directo a un conductor, sino más bien contra transitorios eléctricos resultantes de rayos que ocurren en las cercanías del conductor [ cita requerida ] . Los rayos que caen sobre la tierra producen corrientes de tierra que pueden pasar sobre conductores enterrados e inducir un transitorio que se propaga hacia los extremos del conductor. El mismo tipo de inducción ocurre en los conductores aéreos y por encima del suelo que experimentan el paso de la energía de un EMP atmosférico causado por el relámpago.
Los pararrayos solo pueden proteger contra transitorios inducidos característicos del rápido tiempo de ascenso de una descarga de rayo, y no protegerán contra la electrificación causada por un impacto directo al conductor. Los transitorios similares a los inducidos por rayos, como los de la conmutación por falla de un sistema de alto voltaje, también pueden desviarse de manera segura a tierra; sin embargo, estos dispositivos no protegen contra las sobrecorrientes continuas. La energía en un transitorio manejado es sustancialmente menor que la de la descarga de un rayo; sin embargo, todavía es en cantidad suficiente para causar daños al equipo y a menudo requiere protección.
Sin un aislamiento muy grueso, que generalmente tiene un costo prohibitivo, la mayoría de los conductores que recorren distancias superiores a las mínimas (más de aproximadamente 50 pies (15 m)) experimentarán transitorios inducidos por rayos en algún momento durante el uso. Debido a que el transitorio generalmente se inicia en algún punto entre los dos extremos del conductor, la mayoría de las aplicaciones instalan un descargador de sobretensiones justo antes de que el conductor aterrice en cada pieza del equipo a proteger. Cada conductor debe estar protegido, ya que cada uno tendrá su propio transitorio inducido, y cada SPD debe proporcionar un camino a tierra para desviar de manera segura el transitorio lejos del componente protegido.
La única excepción notable donde no se instalan en ambos extremos es en los sistemas de distribución de alto voltaje. En general, el voltaje inducido no es suficiente para causar daño en el extremo de las líneas de generación eléctrica; sin embargo, la instalación en la entrada de servicio de un edificio es clave para proteger los productos posteriores que no son tan robustos.
Estas son algunas de las especificaciones más destacadas que definen un protector contra sobretensiones para la red eléctrica de CA, así como para algunas aplicaciones de protección de comunicaciones de datos.
También conocido como voltaje de paso , especifica qué pico de voltaje hará que los componentes protectores dentro de un protector contra sobretensiones se cortocircuiten o se bloqueen. [11] Un voltaje de sujeción más bajo indica una mejor protección, pero a veces puede resultar en una esperanza de vida más corta para el sistema de protección general. Los tres niveles más bajos de protección definidos en la clasificación UL son 330 V, 400 V y 500 V. El voltaje de paso estándar para dispositivos de 120 V CA es de 330 voltios. [12]
Underwriters Laboratories (UL), [13] una empresa mundial independiente de ciencias de la seguridad, define cómo se puede utilizar un protector de forma segura. El cumplimiento de UL 1449 se volvió obligatorio en jurisdicciones que adoptaron NEC con la tercera edición en septiembre de 2009 para aumentar la seguridad en comparación con los productos que cumplen con la segunda edición. Una prueba de voltaje límite medido, que utiliza una corriente (y energía) seis veces mayor, define una clasificación de protección de voltaje (VPR). Para un protector específico, este voltaje puede ser mayor en comparación con las clasificaciones de voltaje suprimido (SVR) en ediciones anteriores que medían el voltaje de paso con menos corriente. Debido a las características no lineales de los protectores, los voltajes de paso definidos por las pruebas de la segunda y tercera edición no son comparables. [12] [14]
Un protector puede ser más grande para obtener el mismo voltaje de paso durante las pruebas de la tercera edición. Por lo tanto, un protector de tercera edición o posterior debería proporcionar una seguridad superior con una mayor esperanza de vida.
Un protector con un voltaje de paso más alto, por ejemplo, 400 V frente a 330 V, pasará un voltaje más alto al dispositivo conectado. El diseño del dispositivo conectado determina si este pico de paso causará daños. Los motores y dispositivos mecánicos no suelen verse afectados. Algunas piezas electrónicas (especialmente las más antiguas), como cargadores, bombillas LED o CFL y aparatos computarizados son sensibles y pueden verse comprometidos y reducir su vida útil.
El número de clasificación Joule define cuánta energía puede absorber teóricamente un protector contra sobretensiones basado en MOV en un solo evento, sin fallar. Los mejores protectores superan las clasificaciones de 1.000 julios y 40.000 amperios. Dado que la duración real de un pico es de sólo unos 10 microsegundos [ cita necesaria ] , la energía real disipada es baja. Más que eso y el MOV se fusionará, o a veces se producirá un cortocircuito y se derretirá, con suerte quemará un fusible y se desconectará del circuito.
El MOV (u otro dispositivo de cortocircuito) requiere resistencia en la línea de suministro para limitar el voltaje. Para líneas eléctricas grandes y de baja resistencia, se requiere un MOV con clasificación de julios más alta. Dentro de una casa, con cables más pequeños que tienen más resistencia, es aceptable un MOV más pequeño.
Cada vez que un MOV entra en cortocircuito, su estructura interna cambia y su voltaje umbral se reduce ligeramente. Después de muchos picos, el voltaje umbral puede reducirse lo suficiente como para estar cerca del voltaje de línea, es decir, 120 VCA o 240 VCA. En este punto, el MOV conducirá y se calentará parcialmente y eventualmente fallará, a veces en una fusión dramática o incluso en un incendio. La mayoría de los protectores contra sobretensiones modernos tienen disyuntores y fusibles de temperatura para evitar consecuencias graves. Muchos también tienen una luz LED para indicar si los MOV todavía están funcionando.
La clasificación en julios se cita comúnmente para comparar protectores contra sobretensiones basados en MOV. Un aumento (pico) promedio es de corta duración, desde nanosegundos a microsegundos, y la energía de aumento modelada experimentalmente puede ser inferior a 100 julios. [15] Los protectores contra sobretensiones bien diseñados consideran la resistencia de las líneas que suministran la energía, la posibilidad de que se produzcan rayos u otros picos de energía importantes, y especifican los MOV en consecuencia. Un cargador de batería pequeño puede incluir un MOV de sólo 1 vatio, mientras que una regleta de sobretensión tendrá un MOV de 20 vatios o varios de ellos en paralelo. Un protector de casa tendrá un MOV tipo bloque grande.
Algunos fabricantes suelen diseñar protectores contra sobretensiones con una clasificación de julios más alta conectando varios MOV en paralelo y esto puede producir una clasificación engañosa. Dado que los MOV individuales tienen umbrales de voltaje ligeramente diferentes y respuestas no lineales cuando se exponen a la misma curva de voltaje, cualquier MOV determinado puede ser más sensible que otros. Esto puede hacer que un MOV en un grupo conduzca más (un fenómeno llamado acaparamiento de corriente ), lo que lleva a un posible uso excesivo y eventual falla prematura de ese componente. Sin embargo, los otros MOV del grupo ayudan un poco cuando comienzan a conducir a medida que el voltaje continúa aumentando, ya que un MOV no tiene un umbral agudo. Puede comenzar a producir un cortocircuito a 270 voltios, pero no llegar a un cortocircuito total hasta 450 voltios o más. Un segundo MOV podría comenzar con 290 voltios y otro con 320 voltios para que todos puedan ayudar a limitar el voltaje, y a plena corriente hay un efecto de balastro en serie que mejora la distribución de corriente, pero indica la clasificación en julios real como la suma de todos los voltajes individuales. Los MOV no reflejan con precisión la capacidad total de sujeción. El primer MOV puede soportar una mayor carga y fallar antes.
Un fabricante de MOV recomienda utilizar menos MOV pero más grandes (por ejemplo, 60 mm frente a 40 mm de diámetro) si caben en el dispositivo. Se recomienda además combinar y reducir la potencia de varios MOV más pequeños. En algunos casos, pueden ser necesarios cuatro MOV de 40 mm para equivaler a un MOV de 60 mm. [dieciséis]
Otro problema es que si se coloca un único fusible en línea en serie con un grupo de MOV en paralelo como característica de seguridad de desconexión, se abrirá y desconectará todos los MOV restantes en funcionamiento.
La capacidad efectiva de absorción de energía de todo el sistema depende de la adaptación MOV, por lo que normalmente se requiere una reducción de potencia del 20% o más. Esta limitación se puede gestionar mediante el uso de conjuntos de MOV cuidadosamente combinados, combinados según las especificaciones del fabricante. [17] [16]
Según los estándares de prueba de la industria, basados en supuestos de IEEE y ANSI, las sobretensiones de las líneas eléctricas dentro de un edificio pueden ser de hasta 6.000 voltios y 3.000 amperios, y entregar hasta 90 julios de energía, incluidas las sobretensiones de fuentes externas, sin incluir los rayos.
Las suposiciones comunes con respecto a los rayos específicamente, basadas en ANSI/IEEE C62.41 y UL 1449 (3.ª ed.) al momento de escribir este artículo, son que las sobretensiones mínimas en las líneas eléctricas basadas en rayos dentro de un edificio son típicamente de 10,000 amperios o 10 kiloamperios (kA). . Esto se basa en que 20 kA inciden en una línea eléctrica, la corriente impartida viaja igualmente en ambas direcciones a lo largo de la línea eléctrica y los 10 kA resultantes viajan hacia el edificio o la casa. Estos supuestos se basan en una aproximación promedio para probar estándares mínimos. Si bien 10 kA suele ser suficiente para una protección mínima contra rayos, es posible que un rayo transmita hasta 200 kA a una línea eléctrica con 100 kA viajando en cada dirección.
La empresa de servicios públicos puede suprimir los rayos y otras sobretensiones transitorias de alta energía con supresores montados en postes o con un protector contra sobretensiones para toda la casa suministrado por el propietario. Un producto para toda la casa es más caro que los simples protectores contra sobretensiones de un solo tomacorriente y, a menudo, necesita una instalación profesional en la alimentación eléctrica entrante; sin embargo, evitan que los picos de las líneas eléctricas entren a la casa. Los daños causados por la caída directa de rayos a través de otras vías deben controlarse por separado.
Los protectores contra sobretensiones no funcionan instantáneamente; Existe un ligero retraso, de unos pocos nanosegundos. Con un tiempo de respuesta más largo y dependiendo de la impedancia del sistema, el equipo conectado puede estar expuesto a parte de la sobretensión. Sin embargo, las sobretensiones suelen ser mucho más lentas y tardan unos pocos microsegundos en alcanzar su voltaje máximo, y un protector contra sobretensiones con un tiempo de respuesta de nanosegundos se activaría lo suficientemente rápido como para suprimir la parte más dañina del pico. [18]
Por lo tanto, el tiempo de respuesta bajo pruebas estándar no es una medida útil de la capacidad de un protector contra sobretensiones al comparar dispositivos MOV. Todos los MOV tienen tiempos de respuesta medidos en nanosegundos, mientras que las formas de onda de prueba que generalmente se usan para diseñar y calibrar protectores contra sobretensiones se basan en formas de onda modeladas de sobretensiones medidas en microsegundos. Como resultado, los protectores basados en MOV no tienen problemas para producir especificaciones de tiempo de respuesta impresionantes.
Las tecnologías de respuesta más lenta (en particular, las GDT) pueden tener dificultades para protegerse contra picos rápidos. Por lo tanto, los buenos diseños que incorporan tecnologías más lentas pero útiles suelen combinarlas con componentes de acción más rápida para brindar una protección más completa. [19]
Algunas normas frecuentemente enumeradas incluyen:
Cada estándar define diferentes características del protector, vectores de prueba o propósitos operativos.
La tercera edición de la norma UL 1449 para SPD fue una reescritura importante de ediciones anteriores y también fue aceptada como norma ANSI por primera vez. [20] [21] Una revisión posterior en 2015 incluyó la adición de circuitos de bajo voltaje para puertos de carga USB y baterías asociadas. [22] [23]
EN 62305 y ANSI/IEEE C62.xx definen qué picos se espera que desvíe un protector. EN 61643-11 y 61643-21 especifican los requisitos de seguridad y rendimiento del producto. Por el contrario, la IEC sólo redacta normas y no certifica que ningún producto en particular cumpla con esas normas. Los miembros del esquema CB de acuerdos internacionales utilizan las normas IEC para probar y certificar el cumplimiento de la seguridad de los productos.
Ninguno de esos estándares garantiza que un protector proporcione la protección adecuada en una aplicación determinada. Cada estándar define lo que un protector debe hacer o podría lograr, basándose en pruebas estandarizadas que pueden o no correlacionarse con las condiciones presentes en una situación particular del mundo real. Es posible que sea necesario un análisis de ingeniería especializado para proporcionar una protección suficiente, especialmente en situaciones de alto riesgo de rayos .
Además, los siguientes estándares no son estándares para protectores contra sobretensiones independientes, sino que están destinados a probar la inmunidad contra sobretensiones en equipos eléctricos y electrónicos en su conjunto. Por lo tanto, se utilizan con frecuencia en el diseño y prueba de circuitos de protección contra sobretensiones.
Los sistemas utilizados para reducir o limitar las sobretensiones de alto voltaje [24] [25] pueden incluir uno o más de los siguientes tipos de componentes electrónicos . Algunos sistemas de supresión de sobretensiones utilizan múltiples tecnologías, ya que cada método tiene sus puntos fuertes y débiles. [19] [26] [27] Los primeros seis métodos enumerados funcionan principalmente desviando la energía de sobretensión no deseada lejos de la carga protegida, a través de un componente protector conectado en una topología paralela (o en derivación). Los dos últimos métodos también bloquean la energía no deseada mediante el uso de un componente protector conectado en serie con la alimentación de energía a la carga protegida y, además, pueden desviar la energía no deseada como los sistemas anteriores.
Un varistor de óxido metálico (MOV) consta de un material semiconductor a granel (normalmente óxido de zinc granular sinterizado ) que puede conducir grandes corrientes cuando se le presenta un voltaje superior a su voltaje nominal. [12] [28] Los MOV normalmente limitan los voltajes a aproximadamente 3 a 4 veces el voltaje del circuito normal al desviar la sobrecorriente a otro lugar que no sea la carga protegida. Los MOV se pueden conectar en paralelo para aumentar la capacidad actual y la esperanza de vida, siempre que sean conjuntos coincidentes . [a]
Los MOV tienen una esperanza de vida finita y se degradan cuando se exponen a unos pocos transitorios grandes o a muchos transitorios pequeños. [29] [30] Cada vez que un MOV se activa, su voltaje umbral se reduce ligeramente. Después de muchos picos, el voltaje umbral puede reducirse lo suficiente como para estar cerca del voltaje de protección, ya sea de red o de datos. En este punto el MOV conduce cada vez más a menudo, se calienta y finalmente falla. En los circuitos de datos, el canal de datos queda en cortocircuito y no funciona. En un circuito de alimentación, es posible que se produzca una fusión dramática o incluso un incendio si no está protegido por algún tipo de fusible. [31]
Los regletas y protectores domésticos modernos tienen disyuntores y fusibles de temperatura para evitar consecuencias graves. Un fusible térmico desconecta el MOV cuando se calienta demasiado. Sólo se desconecta el MOV dejando el resto del circuito funcionando pero sin protección contra sobretensiones. A menudo hay una luz LED para indicar si los MOV todavía están funcionando. Las regletas de sobretensiones más antiguas no tenían fusible térmico y dependían de un disyuntor de 10 o 15 amperios que generalmente explotaba solo después de que los MOV habían humeado, quemado, reventado, derretido y en cortocircuito permanente.
Un MOV defectuoso representa un riesgo de incendio, razón por la cual la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) [32] UL1449 en 1986 [33] y las revisiones posteriores en 1998, 2009 y 2015. La principal preocupación de NFPA es la protección contra incendios. [12] [34]
Por lo tanto, todos los protectores basados en MOV destinados a un uso prolongado deben tener un indicador de que los componentes protectores han fallado, y esta indicación debe verificarse periódicamente para garantizar que la protección aún esté funcionando. [35]
Debido a su buena relación precio-rendimiento , los MOV son el componente protector más común en protectores de alimentación de CA básicos de bajo costo.
Un diodo de supresión de voltaje transitorio (diodo TVS) es un tipo de diodo de avalancha que puede limitar los picos de voltaje. Estos componentes proporcionan la acción limitante más rápida de los componentes protectores (teóricamente en picosegundos ), pero tienen una capacidad de absorción de energía relativamente baja. Los voltajes se pueden limitar a menos del doble del voltaje de operación normal. Si los impulsos actuales se mantienen dentro de los valores nominales del dispositivo, la esperanza de vida es excepcionalmente larga. [ se necesita aclaración ] Si se exceden las clasificaciones de los componentes, el diodo puede fallar como un cortocircuito permanente; La protección puede permanecer, pero el funcionamiento normal del circuito finaliza en el caso de líneas de señal de baja potencia.
Debido a su capacidad de corriente relativamente limitada, los diodos TVS a menudo están restringidos a circuitos con picos de corriente más pequeños. Los diodos TVS también se utilizan cuando los picos ocurren con mucha más frecuencia que una vez al año, ya que este tipo de componente no se degradará cuando se use dentro de sus clasificaciones. Un tipo único de diodo TVS (nombres comerciales Transzorb o Transil ) contiene diodos de avalancha en serie de pares invertidos para funcionamiento bipolar.
Los diodos TVS se utilizan a menudo en circuitos de alta velocidad pero de baja potencia, como los que ocurren en las comunicaciones de datos. Estos dispositivos se pueden emparejar en serie con otro diodo para proporcionar baja capacitancia [36] como se requiere en los circuitos de comunicación.
Un Trisil es un tipo de dispositivo de protección contra sobretensiones de tiristores (TSPD) , un dispositivo electrónico especializado de estado sólido que se utiliza en circuitos de palanca para proteger contra condiciones de sobretensión. Un SIDACtor es otro dispositivo de tipo tiristor que se utiliza con fines de protección similares.
Se puede considerar que estos dispositivos de la familia de tiristores tienen características muy parecidas a las de un descargador de chispas o un GDT , pero pueden funcionar mucho más rápido. Están relacionados con los diodos TVS, pero pueden "romperse" a un voltaje de sujeción bajo análogo a una descarga de chispas ionizada y conductora. Después del disparo, el bajo voltaje de sujeción permite grandes sobretensiones de corriente al tiempo que limita la disipación de calor en el dispositivo.
Un tubo de descarga de gas (GDT) es un dispositivo cerrado con vidrio sellado que contiene una mezcla de gas especial atrapada entre dos electrodos, que conduce corriente eléctrica después de ionizarse por un pico de alto voltaje. [37] Los GDT pueden conducir más corriente para su tamaño físico que otros componentes. Al igual que los MOV, los GDT tienen una esperanza de vida finita y pueden manejar unos pocos transitorios muy grandes o una mayor cantidad de transitorios más pequeños. El modo de falla típico ocurre cuando el voltaje de activación aumenta tanto que el dispositivo se vuelve ineficaz, aunque las sobretensiones de rayos ocasionalmente pueden causar un cortocircuito total.
Los GDT tardan un tiempo relativamente largo en activarse (más que un rayo de 60 ns a 70 ns), lo que permite que pase brevemente un pico de voltaje más alto antes de que el GDT conduzca una corriente significativa. No es raro que un GDT deje pasar pulsos de 500 V o más de 100 ns de duración.
En algunos casos, se necesitan componentes de protección adicionales para evitar daños a una carga protegida, causados por el voltaje de paso de alta velocidad que se produce antes de que el GDT comience a funcionar. Los voltajes de activación suelen ser de 400 a 600 voltios para los tubos de gas y aquellos que están listados en la norma UL 497 suelen tener altas clasificaciones de sobrecorriente, de 5000 a 10 000 amperios (8x20 µs). [38]
Los GDT crean un cortocircuito efectivo cuando se activan, de modo que si hay alguna energía eléctrica (pico, señal o potencia), el GDT cortará. Una vez activado, un GDT continuará conduciendo (llamado corriente de seguimiento ) hasta que toda la corriente eléctrica disminuya lo suficiente y la descarga de gas se apague. A diferencia de otros dispositivos protectores de derivación, una vez activado un GDT continuará conduciendo a un voltaje menor que el alto voltaje que inicialmente ionizó el gas; este comportamiento se llama resistencia negativa .
Es posible que se necesiten circuitos auxiliares adicionales en aplicaciones de CC (y algunas de CA) para suprimir la corriente de seguimiento y evitar que destruya el GDT después de que se haya disipado el pico inicial. Algunos GDT están diseñados para provocar un cortocircuito intencional en un terminal conectado a tierra cuando se sobrecalientan, activando así un fusible externo o un disyuntor. [39]
Muchos GDT son sensibles a la luz, ya que la exposición a la luz reduce su voltaje de activación. Por lo tanto, los GDT deben protegerse de la exposición a la luz o deben usarse versiones opacas que sean insensibles a la luz.
La serie CG2 SN de supresores de sobretensiones, anteriormente producida por CP Clare, se anuncia como no radiactiva y la hoja de datos de esa serie indica que algunos miembros de la serie CG/CG2 (75-470 V) son inherentemente radiactivos . [40]
Debido a su capacitancia excepcionalmente baja, los GDT se utilizan comúnmente en líneas de alta frecuencia, como las utilizadas en equipos de telecomunicaciones. Debido a su alta capacidad de manejo de corriente, los GDT también se pueden utilizar para proteger líneas eléctricas, pero se debe controlar el problema de corriente resultante.
Un semiconductor a granel de "fijación por sobretensión" similar a un MOV, aunque no se fija tan bien. Sin embargo, suele tener una vida más larga que un MOV. Se utiliza principalmente en circuitos de CC de alta energía, como el campo excitador de un alternador . Puede disipar energía continuamente y conserva sus características de sujeción durante todo el evento de sobretensión, si tiene el tamaño adecuado.
Una vía de chispas es una de las tecnologías eléctricas de protección más antiguas que aún se encuentran en los circuitos telefónicos y se desarrolló en el siglo XIX. Un electrodo de varilla de carbono se mantiene con un aislante a una distancia específica de un segundo electrodo. La dimensión del espacio determina el voltaje al que saltará una chispa entre las dos partes y provocará un cortocircuito a tierra. El espaciado típico para aplicaciones telefónicas en Norteamérica es de 0,076 mm (0,003 pulgadas). [41] Los supresores de bloques de carbón son similares a los supresores de gas (GDT); pero como los dos electrodos están expuestos al aire, su comportamiento se ve afectado por la atmósfera circundante, especialmente la mayor humedad . Dado que su funcionamiento produce una chispa abierta, estos dispositivos nunca deben instalarse donde pueda desarrollarse una atmósfera explosiva.
Los inductores, reactores de línea, bobinas de choque y condensadores se utilizan para limitar las corrientes de falla y pueden reducir o prevenir eventos de sobretensión. [42] En aplicaciones que limitan las corrientes de falla, los inductores se conocen más comúnmente como reactores de línea eléctrica o estranguladores. Los reactores de línea pueden evitar disparos por sobretensión, aumentar la confiabilidad y la vida útil de los dispositivos de estado sólido y reducir los disparos molestos. [43] [44] [45]
Los paneles metálicos del gabinete de clasificación pueden permitir que las fallas del dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) se contengan de forma remota desde dispositivos digitales y controladores eléctricos. Los rayos directos y las sobretensiones de los rayos en los sistemas secundarios pueden causar fallas catastróficas en los SPD. Las fallas catastróficas de los SPD pueden liberar bolas de fuego de fragmentos de metal y nubes de hollín de carbono conductor. Los paneles de clasificación evitan que dichos peligros lleguen a los dispositivos digitales y de control que están montados en los paneles de control principales remotos. [46] [47] [48] Los paneles del gabinete de clasificación se utilizan para paneles de sistemas digitales (alarma contra incendios, control de acceso de seguridad, energía limpia de computadoras, etc.). Los cableados y cables a proteger incluyen tanto la fuente de alimentación como cualquier cableado (circuito de señalización, circuito del dispositivo iniciador, blindajes, etc.) que se extienda más allá del edificio por medios subterráneos, aéreos u otros, como pasarelas, puentes, etc. Además, debe incluir el cableado de dispositivos ubicados en lugares altos como áticos, niveles de techo de estacionamientos, luces de estacionamiento, etc. [49] [50] Después de pasar a través de los SPD en los gabinetes de clasificación, el cableado puede pasar a través de conductos hacia otros gabinetes remotos, casi adyacentes, que contienen las conexiones de entrada y salida para paneles de sistemas digitales (alarma contra incendios, control de acceso de seguridad, energía limpia de computadoras, controladores lógicos programables (PLC), etc.
Utilizada en rutas de transmisión de señales de RF, esta tecnología presenta un trozo de cortocircuito sintonizado de un cuarto de longitud de onda que le permite pasar un ancho de banda de frecuencias, pero presenta un cortocircuito para cualquier otra señal, especialmente hacia CC. Las bandas de paso pueden ser de banda estrecha (aproximadamente de ±5% a ±10% del ancho de banda) o de banda ancha (por encima de ±25% a ±50% del ancho de banda). Los supresores de sobretensiones coaxiales de cuarto de onda tienen terminales coaxiales, compatibles con conectores de cable coaxial comunes (especialmente los tipos N o 7-16 ). Proporcionan la protección más resistente disponible para señales de RF superiores a 400 MHz ; en estas frecuencias pueden funcionar mucho mejor que las celdas de descarga de gas que normalmente se usan en los supresores de sobretensiones coaxiales universales/de banda ancha. Los supresores de cuarto de onda son útiles para aplicaciones de telecomunicaciones , como Wi-Fi a 2,4 o 5 GHz , pero menos útiles para frecuencias de TV/ CATV . Dado que un supresor de cuarto de onda corta la línea para bajas frecuencias, no es compatible con sistemas que envían energía CC para un LNB por el enlace descendente coaxial.
Estos dispositivos no están clasificados en julios porque funcionan de manera diferente a los supresores anteriores y no dependen de materiales que inherentemente se desgastan durante sobretensiones repetidas. Los supresores SM se utilizan principalmente para controlar sobretensiones transitorias en la alimentación de energía eléctrica a dispositivos protegidos. Son esencialmente filtros de paso bajo de alta resistencia conectados de manera que permiten que voltajes de línea de 50 o 60 Hz lleguen a la carga, mientras bloquean y desvían frecuencias más altas. Este tipo de supresor se diferencia de otros por el uso de bancos de inductores , condensadores y resistencias que suprimen las sobretensiones y la irrupción de corriente en el cable neutro , mientras que otros diseños derivan al cable de tierra . [51] Las oleadas no se desvían, sino que en realidad se suprimen. Los inductores ralentizan la energía. Dado que el inductor en serie con la trayectoria del circuito ralentiza el pico de corriente, la energía pico de sobretensión se distribuye en el dominio del tiempo y se absorbe y libera lentamente de forma inofensiva desde un banco de condensadores. [52]
Los resultados experimentales muestran que la mayoría de las sobretensiones ocurren por debajo de los 100 julios, por lo que es poco probable que se excedan los parámetros de diseño del SM. Los supresores SM no presentan riesgo de incendio si la energía absorbida excede los límites de diseño del material dieléctrico de los componentes porque la energía de sobretensión también se limita mediante un arco a tierra durante la caída de un rayo , dejando un remanente de sobretensión que a menudo no excede un valor teórico. máximo (como 6000 V a 3000 A con una forma modelada de onda de 8 × 20 microsegundos especificada por IEEE/ANSI C62.41). Debido a que los SM funcionan tanto con el aumento de corriente como con el aumento de voltaje, pueden operar de manera segura en los peores entornos de sobretensiones.
La supresión de SM centra su filosofía de protección en una entrada de fuente de alimentación , pero no ofrece nada para proteger contra las sobretensiones que aparecen entre la entrada de un dispositivo SM y las líneas de datos , como antenas, conexiones telefónicas o LAN , o múltiples dispositivos de este tipo conectados en cascada y conectados al primario. dispositivos. Esto se debe a que no desvían la energía de sobretensión a la línea de tierra. La transmisión de datos requiere que la línea de tierra esté limpia para poder usarse como punto de referencia. En esta filosofía de diseño, este tipo de eventos ya están protegidos por el dispositivo SM antes de la fuente de alimentación. El NIST informa que "enviarlos [sobretensiones] por el desagüe de un conductor de conexión a tierra sólo hace que reaparezcan en un microsegundo a unos 200 metros de distancia en algún otro conductor". [53] Por lo tanto, tener protección en una línea de transmisión de datos solo es necesario si las sobretensiones se desvían a la línea de tierra.
Los dispositivos SM tienden a ser más voluminosos y pesados que los dispositivos que utilizan otras tecnologías de supresión de sobretensiones. Los costos iniciales de los filtros SM son más altos, típicamente 130 USD o más, pero se puede esperar una larga vida útil si se usan adecuadamente. Los costos de instalación en el campo pueden ser mayores, ya que los dispositivos SM se instalan en serie con la alimentación eléctrica, lo que requiere que la alimentación se corte y se vuelva a conectar.
Figura 27: un cable de extensión enrollado forma un transformador longitudinal débil, un balun
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