La vida industrial, comercial y residencial moderna depende de la disponibilidad de electricidad. El suministro de electricidad debe tener un nivel de calidad que facilite el desempeño eficiente de los dispositivos electrónicos más sensibles.
Nuestra dependencia de la electricidad y la prevalencia de la electrónica cada vez más sensible hacen esencial tener una fuente de alimentación confiable para la vida moderna. Sin embargo, las interrupciones pueden ocurrir. De hecho, los expertos de la industria sugieren que los problemas relacionados con la alimentación cuestan a las compañías estadounidenses más de 80.000 millones de dólares al año. Evaluados desde una perspectiva integral, los efectos sobre las empresas incluyen: altos costos de mantenimiento, altos costos de producción, retrasos en la producción, pérdida de ventas, entregas tardías, mano de obra ociosa, un mayor deterioro y desechos, entre otros. (Fuente: Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley). Los dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) protegen los equipos eléctricos sensibles de sobretensiones que pueden afectarlos.
Las sobretensiones son un resultado natural de cualquier actividad eléctrica. Siempre han ocurrido en sistemas eléctricos; sin embargo, la dependencia de equipos que contienen componentes electrónicos sensibles ha aumentado la necesidad de controlar los efectos de las sobretensiones en sistemas eléctricos.
¿Qué es una sobretensión? Una definición general de una sobretensión es un voltaje de al menos dos veces la media de la raíz cuadrada del voltaje del sistema (RMS) con una duración medida de uno a varios cientos de microsegundos. Por ejemplo, en un sistema eléctrico de 120 V AC, un impulso corto menor de un milisegundo mayor que 240 V sería una sobretensión. En un sistema de 480 V AC, un impulso corto superior a 960 V sería una sobretensión. Los DPS están diseñados para proteger contra sobrecargas y no otros problemas de calidad de alimentación tales como cortocircuitos.
Se estima que el 63% de las sobretensiones se originan dentro de una instalación. Estas sobretensiones son causadas por eventos internos tales como: arranque y parada de motores, cambios dinámicos de carga en máquinas de producción más grandes, conmutación de paneles de carga ligera, Etc. El 37% restante de las sobretensiones se originan fuera de la instalación afectada. Estas sobretensiones son causadas por eventos externos tales como rayos, conmutación de la red eléctrica, conmutación de bancos de condensadores, Accidentes, etc.
Algunos ejemplos de los costos asociados con daños por sobrevoltaje incluyen: altos costos de mantenimiento, altos costos de producción, retrasos en la producción, perdidas en ventas, entregas tardías, mayor desperdicio y desechos, entre otros.
Sin control, las sobretensiones pueden causar daño a equipos electrónicos sensibles. Los tres principales tipos de daño son:
Fig. 2. Daño causado por un rayo en un tablero de distribución
El daño destructivo provoca gastos en dos áreas: costo de reemplazo/reparación del dispositivo y paradas no planeadas. El costo de reemplazo/reparación de un dispositivo puede ser igual o superior al costo de la protección contra sobretensiones. El costo del tiempo de inactividad puede correr desde millones de pesos por hora hasta por minuto. El tiempo medio de reparación (MTTR por sus siglas en inglés) incluye tiempo para diagnosticar, obtener piezas de repuesto, instalar las piezas y reiniciar el equipo. Obtener las piezas de remplazo puede tomar desde menos de una hora, si las piezas se encuentran en el sitio, a días, si las partes deben ser ordenados al proveedor. El equipo ubicado en sitios remotos tiene tiempo de viaje adicional agregado al MTTR y tiempo de inactividad.
El daño disipativo disminuye la vida útil del equipo. Bajo pequeñas sobretensiones, Muchos componentes de bajo nivel de tensión en los equipos pueden causar una falla y una parada no planeada. A veces esto es más notable en las instalaciones más grandes. Una indicación es cuando cierto equipo tiene una vida útil más larga en un área diferente de la planta.
Fig. 3. Sobretensión causada por switcheo
El daño disruptivo interrumpe un proceso. Una sobretensión podría causar una pérdida de señal o una alarma, deteniendo un proceso hasta que la falla es restablecida.
Fig. 4. Sobretensión causada por estática
Los productos de sobretensiones disponibles se dividen en cuatro categorías:
Fig. 5. Circulo de Protección Phoenix Contact
Para proteger adecuadamente un dispositivo, la potencia de entrada debe tener protección. Además, si existen líneas de comunicaciones/señales/datos que entren en el dispositivo, se debe instalar protección. Una protección ubicada en la línea principal de alimentación eléctrica de la planta es poco probable que proteja contra las sobretensiones generadas internamente. Una antena para un sistema de radio, colocada fuera de la instalación, debe tener protección en el cable coaxial. Para aplicaciones más específicas, por favor contacte su asesor Phoenix Contact.
Los objetivos del diseño de protecciones contra sobretensiones parecen ser muy obvios y sencillos: restringir tan potentemente como sea posible y manejar más corriente de lo esperado en la instalación. Determinar estos diseños aparentemente simples ha demostrado ser un desafío para los ingenieros de diseño, los usuarios y los comités de normas de IEEE, UL, NEC y RETIE.
Fig. 6. Laboratorio de ensayo de protección Contra sobretensiones Phoenix Contact, Blomberg, Alemania
Un DPS puede ser sometido a eventos eléctricos extremos. El modo de fallo al final de la vida útil es un factor de diseño importante. Los DPS’s deben fallar de una manera segura. Dispositivos que cumplan con estos altos estándares de seguridad minimizan el riesgo de sobretensiones, tanto internas como externas, proporcionando seguridad y desempeño confiable. El correcto diseño de estos dispositivos así las pruebas de desempeño bajo estándares internacionales en laboratorios acreditados, incrementa el nivel de confiabilidad de los mismos ante cualquier evento. Estas normas varían según la categoría de protección contra sobretensiones y deben ser incluidas en la especificación del producto.
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