¿Cómo funcionan los protectores de sobretensión trifásicos para reducir las sobretensiones eléctricas?

En un sistema trifásico, la protección contra sobretensiones funciona al detectar sobretensiones anormales, cambiando internamente de un estado de alta impedancia a un estado de baja impedancia, desviando la corriente de sobretensión hacia la ruta de conexión a tierra o de unión, y limitando la tensión que llega al equipo conectado. No "bloquea" una oleada. Reduce el voltaje de pico al dar al sobresalto un camino controlado lejos de cargas sensibles. El resultado es una menor tensión eléctrica en el aislamiento, fuentes de alimentación, accionamientos y electrónica de control.

Los sistemas trifásicos necesitan este enfoque incluso más que los sistemas monofásicos porque tienen más rutas de sobretensión posibles. Las sobretensiones pueden aparecer línea a tierra (L–G), línea a línea (L–L) y en sistemas con un neutro, a veces neutro a tierra (N–G). Por lo tanto, se construye un dispositivo de protección contra sobretensiones trifásicos para gestionar varios modos de sobretensión al mismo tiempo, no solo uno.

Este artículo explica cómo funcionan los dispositivos de protección contra sobretensiones en los sistemas de potencia trifásicos, cómo desvían y limitan las sobretensiones transitorias, cómo se utilizan los diferentes tipos de SPD (tipo 1, tipo 2 y tipo 3), y cómo la ubicación y la coordinación afectan el rendimiento de reducción de sobretensión del mundo real.

Qué significa “Sobretensión eléctrica” en sistemas trifásicos 

Una sobretensión eléctrica, más correctamente llamada sobretensión transitoria, es un aumento de voltaje muy corto y muy rápido. Por lo general, dura desde microsegundos hasta unos pocos milisegundos. Las dos fuentes más comunes son los rayos (ya sea de golpe directo o efectos inducidos en las líneas cercanas) y eventos de conmutación dentro del sistema eléctrico.

En instalaciones trifásicas industriales y comerciales, se crean muchas sobretensiones internas. Los motores grandes, los accionamientos de frecuencia variable, los contactos y los bancos de condensadores cambian de energía significativa. Cada vez que se interrumpe o redirige la corriente, la inductancia del sistema puede generar un pico de voltaje. Esto significa que incluso si el suministro de servicios públicos externo es estable, una instalación aún puede experimentar sobretensiones transitorias frecuentes.

Cómo funciona un SPD trifásico 

Un dispositivo de protección contra sobretensiones, a menudo abreviado como SPD (dispositivo de protección contra sobretensiones), funciona de acuerdo con un principio simple pero cuidadosamente diseñado: permanece invisible durante el funcionamiento normal y se vuelve conductor solo cuando el voltaje se vuelve peligroso.

Monitoreo y comportamiento de umbral

En condiciones normales, los elementos de protección internos del dispositivo se encuentran en un estado de alta impedancia. Esto significa que casi no consumen corriente y no afectan al sistema de potencia. El SPD está efectivamente "observando" el voltaje de forma continua.

Cuando un transitorio empuja el voltaje por encima de un nivel de umbral definido, el comportamiento cambia. Los elementos internos cambian rápidamente a un estado conductor. Esta conmutación no es mecánica; ocurre debido a las propiedades eléctricas de los componentes dentro del dispositivo.

Desvío (redirección de corriente) + Sujeción

Una vez que el SPD se vuelve conductor, crea una trayectoria de baja impedancia controlada entre el conductor energizado y el sistema de conexión a tierra o de unión. La corriente de sobretensión prefiere este camino de baja impedancia en lugar de fluir a través de equipos sensibles.

Al mismo tiempo, el dispositivo limita el voltaje de pico que puede aparecer a través de la carga. Esto a menudo se llama "abrazadera". Es importante entender que el voltaje no se reduce a cero. Siempre permanece un cierto voltaje "residual" o "dejar pasar". El objetivo es mantener este voltaje residual lo suficientemente bajo como para que los sistemas de aislamiento y los componentes electrónicos no se dañen ni se estresen excesivamente.

Protección multimodo en redes trifásicas

En los sistemas trifásicos, las sobretensiones no aparecen de una sola manera. Un dispositivo práctico debe manejar varios caminos a la vez:

• Línea a tierra (L–G)
  
• Línea a línea (L–L)
  
• En sistemas con un neutro, a veces neutro a tierra (N-G)
  

Por lo tanto, un dispositivo de protección contra sobretensiones trifásica está dispuesto internamente para controlar estos modos juntos. No asume que una sobretensión siempre hará referencia a la tierra. Muchos transitorios dañinos en equipos trifásicos aparecen entre fases.

Componentes clave dentro de un dispositivo de protección contra sobretensiones trifásicos 

más moderno Dispositivos de protección contra sobretensiones Confíe en un pequeño número de componentes probados, dispuestos y coordinados para los niveles de voltaje y corriente requeridos.

El elemento activo más común es el varistor de óxido metálico (MOV). Un MOV se comporta como una resistencia muy alta a voltaje normal y como una baja resistencia cuando el voltaje supera su umbral. Esta propiedad es lo que permite que el SPD cambie de "no hacer nada" a "desviar la corriente" en una fracción de microsegundo.

Debido a que los MOV y elementos similares pueden sobrecalentarse o degradarse después de muchas sobretensiones fuertes, un dispositivo práctico también incluye una desconexión térmica o una protección similar. Esto evita que un componente defectuoso permanezca conectado al sistema de forma no segura. Muchos dispositivos también incluyen indicadores simples, como una ventana o un LED, para mostrar si los elementos de protección aún están conectados. Algunos diseños proporcionan un contacto de alarma remota para que el estado pueda ser monitoreado por un sistema de control.

Un punto práctico crítico es que estos dispositivos no son permanentes. Cada vez que absorben la energía de sobretensión, se utiliza una pequeña cantidad de su capacidad. Durante muchos eventos, se degradan lentamente. Este comportamiento “consumible” es normal y es la razón por la cual existen indicadores de condición.

Tipos SPD en sistemas trifásicos 

Los términos de Tipos de SPD Describa dónde está instalado el dispositivo en el sistema de potencia y qué tipo de entorno de sobretensión está diseñado para enfrentar. No son niveles de calidad, son categorías de aplicación.

• Dispositivo de protección contra sobretensiones tipo 1: Instalado en o muy cerca de la entrada de servicio, aguas arriba de la distribución principal. Su objetivo es manejar las sobretensiones de alta energía que provienen del exterior, como eventos relacionados con el rayo en las líneas de suministro.
  
• Dispositivo de protección contra sobretensiones tipo 2: Instalado en paneles de distribución, centros de control de motores y tableros internos similares. Es la opción más común para proteger los paneles industriales y comerciales trifásicos de las sobretensiones tanto entrantes como internamente.
  
• Dispositivo de protección contra sobretensiones tipo 3: Instalado cerca de equipos sensibles. No está destinado a manejar una gran energía de sobretensión por sí mismo y depende de los dispositivos aguas arriba para reducir el aumento principal antes de que lo vea.

• FDS20C/4-275 Clase II
• Designación: Tipo2
• Clasificación: Clase II
• Modo de protección: L→PE , N→PE
• Voltaje nominal Un: 230 VCA/50(60)Hz
• máximum Tensión de funcionamiento continuo Uc (L-N): 275 VCA/50(60)Hz
• Capacidad de resistencia al cortocircuito: 20 ka
• IC de corriente de funcionamiento continuo: <20 µA
• Consumo de energía en espera PC: ≤25 MVA
• Corriente de descarga máxima (8/20μs) IMAX: 40 ka
• Corriente de descarga nominal (8/20 μs) en: 20 ka
• Nivel de protección de voltaje hacia arriba: ≤1,3 kV
• Resistencia de aislamiento: ＞1000 MΩ
• Material de la vivienda: UL94V-0
• Grado de protección: IP20

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En un sistema completo, estos tipos se combinan a menudo de modo que cada uno maneja la parte de la energía de sobretensión para la que es más adecuado.

Donde los SPD trifásicos reducen más las sobretensiones 

Protección contra sobretensiones Funciona mejor cuando se aplica por etapas. Un dispositivo en la entrada de servicio reduce la energía de las grandes oleadas entrantes antes de que puedan extenderse por el edificio. Los dispositivos en los paneles de distribución reducen entonces la energía restante y también manejan las sobretensiones creadas por la conmutación interna. Finalmente, la protección del punto de uso puede hacer frente a los transitorios más pequeños y más rápidos que quedan.

Los detalles de la instalación física importan mucho. La conexión entre el SPD y las barras o conductores o conductores debe ser lo más corta y directa posible. Los cables largos agregan inductancia y la inductancia crea voltaje adicional durante los cambios de corriente rápidos. En la práctica, esto significa que incluso un dispositivo de protección contra sobretensiones muy bueno puede funcionar mal si se instala con cables largos y en bucle.

Cómo reducen las SPD trifásicos (Overview de protección por etapas)

Esta tabla muestra la lógica de la protección por etapas. No se espera que ningún dispositivo se encargue de todo. Cada ubicación reduce parte de la energía de sobretensión y el voltaje máximo. Para cuando un transitorio llega a la electrónica sensible, su amplitud y energía son mucho más bajas que en la entrada de servicio.

Factores de rendimiento del mundo real 

El rendimiento real de los dispositivos de protección contra sobretensiones en sistemas trifásicos depende de varios factores prácticos, no solo del dispositivo en sí:

• La calidad del sistema de puesta a tierra y de unión afecta fuertemente la facilidad con la que se puede desviar la corriente de sobretensión del equipo.
  
• Los conductores de conexión recto y cortos reducen el aumento de voltaje inductivo y mejoran el rendimiento de sujeción.
  
• La coordinación entre múltiples dispositivos de protección contra sobretensiones evita que un dispositivo tome todo el estrés y el envejecimiento demasiado rápido.
  
• En muchas instalaciones trifásicas, las sobretensiones de conmutación generadas internamente son más frecuentes que los eventos relacionados con el rayo y deben considerarse en la estrategia de protección.
  

Errores comunes 

Varios errores comunes de instalación y planificación reducen la efectividad de la protección contra sobretensiones en sistemas reales:

• Usar solo un dispositivo de protección contra sobretensiones para toda una instalación y suponiendo que protegerá todo por igual.
  
• Instalación del dispositivo lejos de la barra colectora o con conductores largos y en bucle que añaden inductancias innecesarias.
  
• Ignorar las sobretensiones de línea a línea y enfocar solo en caminos de línea a tierra en sistemas trifásicos.
  
• Usando solo un dispositivo tipo 3 cerca de un equipo sin ninguna protección de tipo 1 o tipo 2 aguas arriba.
  
• Suponiendo que un indicador de estado que muestre "OK" significa que el sistema está perfectamente protegido contra todas las posibles sobretensiones.
  

Conclusión 

En un sistema de potencia trifásico, la protección contra sobretensiones funciona al detectar sobretensiones anormales, cambiar a una ruta de baja impedancia, desviar la corriente de sobretensión a tierra y limitar el voltaje que llega al equipo. Reduce el estrés eléctrico en lugar de eliminar por completo las sobretensiones. Debido a que los sistemas trifásicos tienen múltiples rutas de sobretensión, la protección debe cubrir los modos línea a línea y línea a tierra. Los resultados más efectivos provienen de la colocación correcta, conexiones cortas y coordinación entre diferentes tipos de SPD. Aplicados correctamente, estos dispositivos reducen significativamente las tasas de falla y el tiempo de inactividad, aunque ningún sistema puede eliminar todos los efectos de sobretensión.

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