¿Cuándo necesita su empresa una actualización fiable de la protección contra sobretensiones?

En una fracción de segundo, el voltaje del sistema eléctrico de un edificio puede elevarse muy por encima de su rango normal de operación. Sin una protección contra sobretensiones adecuada para su negocio, ese transitorio puede dañar equipos sin los cuales un proceso no puede operar y dejar fuera de servicio las redes conectadas a ellos. Cuando eso ocurre, la producción del día se detiene. Algunos transitorios llegan del exterior, cuando un rayo cae en la línea de la compañía suministradora o en una estructura cercana, o cuando la compañía suministradora realiza maniobras en su sistema. Otros se originan dentro del edificio, cuando sus propias cargas grandes se encienden y se apagan.

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Gran parte del daño por sobretensiones transitorias no ocurre de una sola vez. Cada vez que una carga inductiva, como un compresor de HVAC, un motor, un elevador o una copiadora, se enciende o se apaga, introduce un transitorio de baja energía en el cableado del inmueble. Cada equipo industrial que se agrega es una fuente más. Uno de estos eventos por sí solo rara vez daña algo de forma perceptible. Con el tiempo, sin embargo, desgastan el aislamiento y los dispositivos semiconductores dentro de los equipos conectados, de modo que cuando algo finalmente falla, la falla no parece relacionada con ningún evento en particular.

La protección comienza con un buen diseño eléctrico comercial. Eso significa una protección contra sobretensiones diseñada como un sistema coordinado, sobre una base de puesta a tierra y equipotencialidad adecuadas, con cada dispositivo seleccionado para las condiciones reales del lugar donde se instala. Un buen diseño reduce la probabilidad de daños por sobretensiones y limita su gravedad, pero no puede eliminar el riesgo por completo. El resto de esta publicación explica lo que una empresa debe saber antes de decidir si vale la pena realizar una mejora.

¿Qué es la protección contra sobretensiones y por qué debería importarle?#

Un sobretensión eléctrica es cualquier aumento de voltaje por encima del rango normal de operación de un sistema. Cierta variación es esperable e inofensiva. El voltaje de la compañía suministradora fluctúa dentro de una banda cercana al valor nominal, y el Rango A de ANSI C84.1 permite un voltaje de servicio de 114 a 126 volts en un sistema de 120 volts nominales. Las sobretensiones que causan daños son los transitorios. Duran de microsegundos a milisegundos y pueden alcanzar cientos o miles de volts, lo suficiente para perforar el aislamiento o destruir los dispositivos semiconductores de los equipos conectados.

Las sobretensiones tienen varias causas raíz, y la mayoría están fuera del control directo de una empresa. Los problemas de puesta a tierra y de equipotencialidad del edificio no generan sobretensiones, pero agravan el daño y pueden impedir que los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) funcionen como se espera, por lo que también se incluyen en esta lista:

• Rayos, ya sea por una descarga directa o por una descarga cercana que induce transitorios en los conductores de la compañía suministradora, de comunicaciones e interiores
• Maniobras de la compañía suministradora, incluidos los bancos de capacitores, y el restablecimiento de la energía después de un apagón
• El encendido y apagado de cargas grandes en el sitio, como motores, compresores, enfriadores (chillers) y elevadores
• Cableado y terminaciones dañados, flojos o corroídos
• Fallas en el cableado del inmueble y la operación de los dispositivos de protección para liberarlas
• Un sistema de electrodos de puesta a tierra subdimensionado, corroído o incompleto, que deja a los SPD sin una trayectoria de baja impedancia hacia la cual descargar
• Una equipotencialidad deficiente, que permite que se desarrollen diferencias de potencial dañinas entre los sistemas eléctrico, de comunicaciones y de tuberías

El daño que causa una sobretensión depende de lo que esté conectado al circuito. En casa, un evento muchas veces no pasa de una computadora que tiene que reiniciarse, aunque las sobretensiones por rayos sí destruyen equipos domésticos y provocan incendios. En un negocio, el mismo evento puede afectar al mismo tiempo sistemas de control sensibles, equipos de cómputo en red y hardware de automatización. El tiempo de inactividad se traduce directamente en ingresos perdidos y, en un laboratorio o en un entorno de proceso, también puede perderse todo lo que estuviera en proceso en ese momento.

Señales de que necesita mejor protección contra picos#

Si nadie ha evaluado nunca su protección contra sobretensiones, empiece por el sistema eléctrico que ya tiene. Estas son las señales más comunes de que la protección, y el diseño que la respalda, requieren atención.

1. depender demasiado de las regletas básicas

Un multicontacto común (cuyo nombre correcto es toma de corriente reubicable, o relocatable power tap) no ofrece ninguna supresión de sobretensiones a menos que esté listado como dispositivo de protección contra sobretensiones. Conforme a UL 1449, los multicontactos con supresor listados y otros dispositivos similares de punto de uso son DPS tipo 3. Están pensados como la última etapa de un esquema de protección y no pueden sustituir al resto. Sus componentes internos de supresión se desgastan a medida que absorben la energía de las sobretensiones. Una vez agotados, el multicontacto normalmente sigue alimentando lo que tenga conectado, por lo que el usuario no tiene forma de saber que la protección dejó de funcionar.

Si una carga grande, como un banco de servidores o un sistema de refrigeración, se alimenta desde multicontactos, además del problema de sobretensiones tiene un problema de capacidad del circuito. En instalaciones comerciales, un análisis de carga eléctrica detecta desbalances y circuitos sobrecargados, y determina qué tableros, circuitos derivados y protección conectada de forma permanente requiere ese equipo.

2. expansión con nuevos equipos

Cuando agrega maquinaria de producción, sistemas de audio y video o equipos de HVAC de mayor capacidad, cambia algo más que la carga conectada. Cada nueva carga inductiva es una fuente más de transitorios por conmutación, y la protección con la que cuenta podría no estar en los tableros que alimentan el nuevo equipo. Si se amplía el servicio o un transformador para soportar la carga adicional, la corriente de falla disponible en los tableros afectados también cambia. Un SPD ya instalado ahí podría dejar de tener la capacidad nominal de corriente de cortocircuito que ese punto requiere ahora.

La protección contra sobretensiones debe corresponder al voltaje y la configuración del sistema, a la corriente de falla disponible en el punto de instalación y a la sensibilidad del equipo protegido. Un programa periódico de revisión de protección y coordinación detecta las deficiencias, incluidas las que surgen al agregar equipo nuevo.

3. reinicios frecuentes del equipo y fallas técnicas

Las terminales de punto de venta (POS) que se reinician al azar durante el día, o los arreglos de LED de una vitrina que parpadean sin razón aparente, merecen revisarse antes de que todos se acostumbren a ellos.

Síntomas como estos apuntan a un problema de calidad de la energía, pero por sí solos no demuestran que se trate de una sobretensión. Las caídas de voltaje, las conexiones flojas de neutro o de puesta a tierra, los circuitos con neutro compartido, la distorsión armónica de las cargas electrónicas y los transitorios pueden provocar quejas similares. Para determinar cuál es su caso se requieren mediciones, con un monitor registrador de calidad de la energía instalado en el tablero afectado el tiempo suficiente para captar los eventos, y una inspección de las terminaciones, la puesta a tierra y la equipotencialidad. Los datos le indican si la solución es más protección contra sobretensiones, una corrección del cableado o ambas.

4. Protección contra sobretensiones desgastada

Un SPD no tiene una vida útil fija en años. La mayoría usa varistores de óxido metálico (MOV), que se degradan a medida que desvían sobretensiones, así que su duración depende de cuántas sobretensiones reciben y de su magnitud. Un dispositivo en un lugar expuesto puede estar casi agotado en pocos años, mientras que el mismo tipo de dispositivo en un lugar resguardado puede seguir en servicio mucho más tiempo. La antigüedad por sí sola no debe determinar cuándo reemplazarlo. Guíese por la indicación de estado del dispositivo, cualquier salida de diagnóstico o monitoreo, las condiciones de servicio declaradas por el fabricante y los eventos conocidos, como la caída de un rayo en las cercanías.

Los SPD suelen fallar sin ninguna señal evidente. Una unidad degradada normalmente sigue suministrando corriente a la carga, de modo que el equipo sigue funcionando aunque la protección ya no exista. Los dispositivos montados en tablero con indicadores de estado, contactos de alarma remota o monitoreo integrado a un sistema de gestión del edificio le permiten saber cuándo ha ocurrido. Una inspección también revelará los puntos que no tienen ninguna protección, algo común en acometidas antiguas y en tableros agregados durante ampliaciones anteriores.

5. nunca antes había utilizado una protección contra sobretensiones

La protección contra sobretensiones puede sonar a argumento de ventas, pero las investigaciones forenses de pérdidas de equipos e incendios en estructuras encuentran con regularidad sobretensiones transitorias y daños por rayos entre las causas contribuyentes, junto con fallas de orígenes completamente distintos.

Si el ingeniero eléctrico nunca ha revisado los sistemas de protección, empiece por ahí. Los dispositivos comprados en tienda funcionan bien para aquello para lo que están listados. Pero un dispositivo tipo 3 en un contacto no puede cumplir la función de la protección en la acometida y en los tableros de distribución, y no corregirá un problema de puesta a tierra o de equipotencialidad. Un esquema coordinado debe diseñarse en función del servicio específico, de su corriente de falla disponible y del equipo que protege.

Qué debe incluir un sistema moderno de protección contra sobretensiones#

Los edificios comerciales siguen agregando equipos, electrónica y dispositivos auxiliares a sistemas eléctricos que muchas veces tienen décadas más de antigüedad que las cargas que ahora alimentan. Proteger un edificio así requiere más que un solo dispositivo. Se necesita un esquema coordinado de varias etapas, dimensionado para el servicio del edificio y respaldado por una puesta a tierra verificada. Por lo general incluye:

• La protección contra sobretensiones en la acometida consiste en un SPD conectado de forma permanente en el punto donde la energía de la compañía suministradora entra al edificio. En el lado de línea del medio de desconexión del servicio debe ser un dispositivo tipo 1, y en el lado de carga puede ser tipo 1 o tipo 2. Su función es limitar los transitorios que llegan desde la red de la compañía suministradora, incluidos los causados por rayos y por maniobras. Sin embargo, no intercepta los rayos; para eso existe un sistema de protección contra rayos. El dispositivo debe ser adecuado para el voltaje y la configuración del sistema y tener una capacidad nominal de corriente de cortocircuito al menos igual a la corriente de falla disponible en ese punto. Elija uno con una corriente nominal de descarga adecuada y un valor de protección de voltaje (VPR) bajo.
• Los SPD tipo 2 en los tableros de distribución y derivados atenúan cualquier transitorio residual que pase el dispositivo de la acometida y limitan los transitorios que generan las cargas dentro del edificio. Mantenga los conductores de conexión tan cortos y rectos como sea práctico, porque la impedancia de esos conductores se suma al voltaje que recibe el equipo protegido.
• En el punto de uso, la electrónica sensible, los servidores, los instrumentos de laboratorio y la automatización de producción deben contar con un dispositivo tipo 3 en el contacto o en el gabinete del equipo como etapa final. Los dispositivos tipo 3 están diseñados para funcionar detrás de una protección aguas arriba y están sujetos al requisito de distancia de conductor que establecen las instrucciones del fabricante y el National Electrical Code^®.
• El monitoreo es lo que avisa al personal de mantenimiento cuando un dispositivo se ha degradado o desconectado. Puede consistir en indicación de estado, contactos de alarma remota o diagnósticos reportados a un sistema de gestión del edificio o de control. Sin él, una pérdida de capacidad de protección pasa inadvertida hasta que algo aguas abajo falla.
• Todo esto se basa en una puesta a tierra y una equipotencialidad adecuadas. Un SPD limita el voltaje entre conductores y envía la corriente de la sobretensión al sistema de puesta a tierra, por lo que solo es tan bueno como ese sistema. Un sistema de electrodos de puesta a tierra en buen estado, con los sistemas eléctrico, de comunicaciones y de tuberías unidos a él, mantiene bajas las diferencias de potencial entre esos sistemas. Si la puesta a tierra o la equipotencialidad son deficientes, el dispositivo no puede funcionar según su capacidad nominal y la corriente de la sobretensión puede abrirse paso a través de los equipos.

Son varias etapas de protección, pero el resultado no tiene por qué ser complicado. Un ingeniero que conozca la selección y la coordinación de SPD, así como la puesta a tierra, puede especificar un esquema que su personal de mantenimiento pueda inspeccionar y mantener.

Cómo podría verse en un laboratorio de análisis clínicos#

Este ejemplo es un caso compuesto con fines ilustrativos. No es un proyecto real y no describe a ningún cliente, sitio ni encargo. Supongamos que un laboratorio de diagnóstico tiene fallas de equipo recurrentes. Los analizadores de sangre se reinician o fallan a mitad de las corridas, y el almacenamiento de muestras con temperatura controlada activa sus alarmas cada vez que se interrumpe la energía. Un contratista de mantenimiento lo revisa primero y lo atribuye a la antigüedad de los sistemas del edificio, pero no encuentra una causa específica.

En una instalación con esos antecedentes, una evaluación de ingeniería examinaría un conjunto definido de condiciones:

• Si existe o no algún dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) en la acometida y, de haberlo, su tipo, sus valores nominales y su estado
• La antigüedad de los SPD instalados en los tableros, sus valores nominales y lo que muestran sus indicadores de estado, incluidos los que se hayan instalado en remodelaciones anteriores
• El sistema de electrodos de puesta a tierra, la forma en que se unen equipotencialmente los sistemas eléctrico, de comunicaciones y de tuberías, y las terminaciones en los tableros que alimentan a los instrumentos afectados
• Qué tanto dependen los instrumentos sensibles de multicontactos y si, para empezar, esos multicontactos son dispositivos de protección contra sobretensiones listados

Hallazgos como estos se integran en un informe de ingeniería por escrito con un alcance definido de trabajos correctivos. En este caso, eso sería un esquema coordinado de SPD en varios niveles, con dispositivos en la acometida y en los tableros, seleccionados según la tensión del sistema y la corriente de falla disponible, una puesta a tierra y una equipotencialidad verificadas, y protección en el punto de uso en los propios instrumentos. Los datos de calidad de la energía registrados durante un periodo representativo muestran si realmente hay transitorios y si las correcciones los eliminaron. Que una aseguradora ayude o no con el costo depende por completo de la póliza y de los hechos de esa reclamación en particular.

Vale la pena realizar una evaluación como esta en cualquier instalación que dependa de instrumentos sensibles, incluidos los edificios antiguos. Documenta el estado de la protección y detecta los problemas que suelen pasarse por alto cuando los dispositivos se reemplazan uno por uno.

Protección contra sobretensiones como gestión de riesgos#

Los daños por sobretensiones a menudo pasan desapercibidos hasta que un equipo falla o se produce una pérdida, y la degradación que se acumula antes no deja rastros visibles. Un esquema de protección coordinado, una puesta a tierra y una equipotencialidad correctas y una inspección periódica hacen que ese desenlace sea menos probable y menos grave. No eliminan el riesgo, y ningún ingeniero puede prometerle de manera responsable que lo harán. Póngase en contacto con Dreiym Engineering y evaluaremos su protección actual en relación con la acometida del edificio, su corriente de falla disponible y los equipos a los que alimenta, y documentaremos los resultados de forma que respalden la revisión del seguro y del cumplimiento normativo.