Dimensionamiento de supresores de transitorios, TVSS.pdf

CONCEPTOS PRIMORDIALES: 

SUPRESORES DE TRANSIENTES TVSS. 

Por: I.E MARTÍN MERCADO GOMEZ 

SALES MANAGER LCS LUMINEX- LEGRAND 

Los supresores de transientes TVSS (Transient Voltage Surge Supressors) o dispositivos 

de protección contra sobretensiones transitorias DPS (Device Protective Device) están 

conceptualizados por las normas internacionales como equipos destinados a proteger las 

instalaciones eléctricas contra aquellas sobretensiones generadas por fenómenos 

transitorios. Estos fenómenos inesperados traen consigo consecuencias dramáticas para 

las instalaciones y cargas sensibles. Por esta razón, su importancia dentro del sistema de 

protecciones. 

Dispositivo de protección contra sobretensiones transitorias - DPS (Surge Protective Device) según 

la norma NTC 4552 es un dispositivo destinado a limitar las sobretensiones transitorias, evacuando 

las corrientes asociadas a dicha sobretensión. 

OTROS CONCEPTOS 

Sobretensión transitoria (Surge): tensión anormal entre dos puntos del sistema, que es mayor que 

el valor máximo presentado entre los mismos dos puntos bajo condiciones de servicio normal. 

Sistema de protección interna - SPI: es el conjunto de decisiones y dispositivos encaminados a 

reducir las sobretensiones transitorias que se pueden presentar al interior de una instalación. 

Rayo (Lightning): La Descarga Eléctrica Atmosférica o más comúnmente conocida como Rayo es un 

fenómeno físico que se caracteriza por una transferencia de carga eléctrica de una nube hacia la 

tierra, de la tierra hacia la nube, entre dos nubes, al interior de una nube o de la nube hacia la 

ionosfera. 

Nivel Ceráunico - NC (Keraunic Level): número de días al año en los cuales es oído por lo menos un 

trueno. 

Densidad de descargas a tierra - DDT: número de descargas individuales (Strokes) a tierra por 

kilómetro cuadrado/año. Medida en área de 9 km2 (3 km x 3 km). Permite cuantificar la incidencia 

de rayos en la zona. 

Después de alinderar algunos conceptos primordiales es de vital importancia definir el concepto de 

un régimen transitorio y sus orígenes: Los regímenes transitorios poseen dos causas: 

1. Origen Externo 

2. Origen Interno 

Las sobretensiones de origen externo son ocasionadas por descargas eléctricas tipo atmosférico y 

dependen directamente de las descargas por kilómetro cuadrado año asociadas con el nivel 

ceráunico. Este parámetro enmarca a Colombia dentro de un caso muy especial de alta incidencia 

de rayos. 

Para evidenciar estos conceptos es preciso delimitar ciertos aspectos del fenómeno rayo según la 

NTC 4552 así:

Los transitorios de origen interno están asociados con las sobretensiones correlacionadas con 

maniobra y conmutación. 

Prácticamente todas las conmutaciones en las redes industriales, y particularmente las de elevada 

potencia, producen sobretensiones. La apertura de circuitos de protección o de mando 

compuestos por contactores y relés, en aplicaciones de transferencia de redes, bancos de 

condensadores, puesta en marcha de motores de gran potencia, encendido de soldadores y 

balastros. Estas maniobras generan sobretensiones de tipo oscilatorio, de alta frecuencia y con 

tiempos de amortiguación rápida. Estos transitorios pueden perturbar el funcionamiento de ciertas 

cargas sensibles como computadores. 

Los TVSS surgen y aparecen en el mercado como respuesta y solución a este tipo de fenómenos, 

para lo cual es de vital importancia seleccionarlos adecuadamente y mucho más si consideramos que 

en Colombia la actividad de rayos es bastante alta. 

Para la selección, establecimiento de características, pruebas y demás temas correlativos existen 

normas internacionales y algunas consideraciones en normas locales tales como: 

ANSI/IEEE C62.41 Recommended Practice on Surge Voltages in Low Voltage AC Power Circuits 

ASI/IEEE C 62.45 IEEE Guide of Surge Testing for Equipment Connected to Low Voltage AC Power 

Circuits 

ANSI/IEEE C62.33 – Standard Test Specifications for Varistors Surge Protective Devices 

NTC 4552- Norma Técnica Colombiana de Protecciones Externas 

RETIE- REGLAMENTO TECNICO DE INSTALACIONES ELECTRICAS.. 

UL1449 Segunda edición – Transient Voltage Surge Supresión 

Si nos sumergimos en el régimen legislativo nuestro RETIE en materia eléctrica, vale la pena 

destacar que los dispositivos de protecciones transitorias mayores y menores de 1000 Voltios, 

poseen posición arancelaria controlada, por lo que estos productos deben demostrar el 

cumplimiento de los requisitos exigidos mediante un Certificado de Conformidad con el RETIE 

expedido por un ente de certificación acreditado por la SIC o por el mecanismo que dicha entidad 

determine. 

Todo transformador, línea aérea o cable subterráneo de media, alta o extra alta tensión, deben 

disponer de DPS. En los demás equipos de media, alta o extra alta tensión o en redes de baja 

tensión o uso final, la necesidad de DPS dependerá de una evaluación técnica objetiva del nivel de 

riesgo por sobretensiones transitorias a que pueda ser sometido dicho equipo o instalación. Tal 

evaluación técnica, deberá tener en cuenta entre otros factores, el uso de la instalación, la 

coordinación de aislamiento, la densidad de rayos a tierra, las condiciones topográficas de la zona, 

las personas que 

podrían someterse a una sobretensión y los equipos a proteger. 

Desde el punto de vista práctico la norma ANSI/IEEE C62.41 establece varios tópicos para la 

selección de un DPS: 

1. CLASIFICACION 

2. NIVEL DE EXPOSICIÓN 

3. TENSIÓN Y CONEXIÓN 

4. CLAMPING

5. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO DE LA INSTALACIÓN 

6. OTROS 

1. CLASIFICACION 

La norma IEEE C62.41 determina 3 categorías de utilización de los supresores que depende del 

lugar donde serán instalados: 

A. Como protección directa de las carga, (salidas de tomacorriente). 

B. Como protección de alimentadores de gran potencia y circuitos ramales cortos. (tableros 

de distribución) 

C. Como protección primaria en la cabecera de la instalación contra sobretensiones externas. 

Punto de entrada entre el transformador y el primer medio de desconexión. 

Por otra parte la normatividad establecer los charts que definen los valores pico que han de ser 

soportados por los DPS en una cantidad de 1000 eventos. 

Por ejemplo un supresor clase C3 rateado por la norma para 10 KA debe estar dimensionado para 

que soporte 1000 eventos de 10 KA; para lo cual los fabricantes desarrollan sus diseños y en 

muchos casos bajo modelamiento americano este termina siendo de 100 o 150 KA. 

Por otra parte este chart determina los tipos de onda modelados: 

1. Tipo Combination wave 8/20 us en corriente y 1.2/50 us en tensión. 

2. Tipo Ring wave 0.5 us/ en onda subamortiguada. 

Siendo la tipo 1 la onda tipo rayo americanamente modelada para la señal tipo rayo. 

2. NIVEL DE EXPOSICION 

El nivel de exposición está asociado con el nivel de riesgo en cuanto a fenómeno rayo se refiere: 

Los mecanismos del rayo son muy complejos, pero podemos decir de manera simplificada que se 

trata de una descarga eléctrica de gran energía provocada por una diferencia del potencial entre

nubes o entre nubes y suelo. Las corrientes de rayo alcanzan valores de 10 a 300 kA, con 

tiempos de aumento de unos pocos microsegundos. 

No todas las zonas geográficas tienen el mismo riesgo. El riesgo local de tormenta viene 

determinado por el nivel ceráunico. En la práctica, se usan mapas de densidad de caídas de rayos 

que son establecidos con observaciones de los últimos cincuenta años (red metereológica) y 

cuantifican la cantidad de impactos por año y por km 2 . (mapas isoceraúnicos- ver mapa 

isoceraúnico de Colombia). 

Cuando incide un rayo, su corriente produce una sobretensión impulsional que se propaga en un 

radio de varios kilómetros y su dispersión en la tierra eleva su potencial, induciendo fuertes 

sobretensiones en los cables subterráneos y aumentando la tensión en las tomas de tierra. 

Para evidenciar estos conceptos es preciso delimitar ciertos aspectos del fenómeno rayo según la 

NTC 4552 así: 

El rayo es un fenómeno meteorológico de origen natural, cuyos parámetros son variables espacial 

y temporalmente. La mayor incidencia de rayos en el mundo, se da en las tres zonas de mayor 

convección profunda: América tropical, África central y norte de Australia. Colombia, está situada 

en la Zona de Confluencia Intertropical. 

Los parámetros de las rayos utilizados para encontrar el nivel de riesgo son la Densidad de 

Descargas a Tierra - DDT, y la corriente pico absoluta promedio (I ) expresada en kiloamperios, 

abs 

asignando una mayor relevancia a la primera de éstas, debido a que existe mayor probabilidad de 

que una estructura se vea afectada dependiendo de la cantidad de descargas a la que está expuesta, 

que de la intensidad de las mismas. 

Los valores de I y de DDT deben tener el 50 % de probabilidad de ocurrencia o menos, a partir de 

abs 

datos multianuales. Además se debe tomar un área de 9 km 2 

(3 km x 3 km) o menos, teniendo en 

cuenta la exactitud en la localización (location accuracy) y la exactitud en la estimación de la corriente 

pico de retorno (lightning peak current accuracy) del sistema de localización de rayos 1 

. 

Al encontrar la densidad de descargas a tierra con sistemas de localización confiables, implícitamente 

se considera la orografía del área, es decir, montaña, ladera, plano, etc. y la latitud.

El nivel de exposición está íntimamente ligado con el nivel ceraúnico y la densidad de 

Descargas. 

Densidad de Descargas a Tierra (DDT): La densidad es un parámetro complementario al NC 

(nivel ceraúnico), que permite cuantificar la incidencia de rayos en la zona. 

Se puede utilizar la siguiente ecuación la cual presenta una mejor aproximación a los datos 

medidos en Colombia, que es función del NC y tiene en cuenta la latitud δ: 

DDT = (0,1 + 0,35 Senδ ) 0,6 NC 

Nivel ceráunico de Colombia. 

Por muchas décadas, el parámetro universalmente aceptado para caracterizar la actividad eléctrica 

atmosférica de una región ha sido el Nivel Ceráunico, definido como el número de días del año en 

que por lo menos es oído un trueno. 

La distribución espacio-temporal del NC a todo lo largo del territorio colombiano, mediante un 

estudio sistemático de datos de varios años se presenta en el Mapa de Niveles Ceráunicos. 

Mientras una de las zonas más tormentosas de Europa se encuentra en los Alpes, con Niveles 

Ceráunicos promedios multianuales de 30, algunas zonas de Colombia presentan promedios 

superiores a 140. 

Para efectos prácticos, en la sección de Publicaciones se encontraran algunos artículos en los 

cuales este parámetro se encuentra involucrado.

Régimen ceraúnico colombiano - distribución espacial. 

La distribución del fenómeno de tormentas eléctricas para las diversas regiones naturales del país 

es: 

Región del Caribe: 

El nivel ceraúnico para la Guajira alta es menor a 20 tormentas eléctricas. Aumenta gradualmente 

hacia a Guajira baja. 

Un gradiente fuerte, mayor o igual a 120 tormentas eléctricas se pueden detectar alrededor de los 

puntos más altos de la Sierra Nevada de Santa Marta. Disminuye gradualmente a 40 tormentas 

eléctricas hacia las partes más bajas. En los llanos de Córdoba, Sucre, Bolívar, Magdalena y 

Cesar, el nivel cambia gradualmente de 80 tormentas eléctricas a 20 tormentas eléctricas a nivel 

del mar. Alrededor de Uraba así como la cordillera occidental y central, el nivel aumenta otra vez 

hasta 80 tormentas eléctricas. 

Región Andina. 

El valle de Aburra y Medellín registran el nivel ceraúnico más alto del país con un núcleo de 140 

tormentas eléctricas. Alrededor de los departamentos de Cauca y de Valle se pueden encontrar 

varios núcleos con valores desde 60 a más de 100 tormentas eléctricas, la parte más baja se

encuentra en la cordillera central. El sureste del departamento de Nariño, donde la cordillera de los 

Andes entra a Colombia, es una región que se caracteriza por ser de bajo nivel, con un máximo de 

10 tormentas eléctricas. 

El Valle del Río Magdalena presenta una región de nivel alto que funciona a lo largo del río con 

valores de 100 tormentas eléctricas alrededor de del este Antioquia. 

En los llanos altos de Cundinamarca y Boyacá, la actividad de tormentas eléctricas alcanza un 

valor relativamente alto de 80 tormentas eléctricas. En la región vecina, una extensa región de 40 

tormentas eléctricas se puede encontrar a lo largo de la cordillera oriental. 

Región Pacífica. 

Varios grandes núcleos se pueden encontrar (60, 80, 100 y más tormentas eléctricas) a lo largo de 

la costa pacífica. Comparado con el extenso núcleo del departamento del Choco, la región 

meridional (por el departamento de Nariño) se coloca en un nivel inferior. El valor aumenta del 

lado costero al interior alcanzando 80 tormentas eléctricas en el centro del departamento de 

Nariño. 

Región del Orinoco y del Amazonas. 

En los llanos orientales el nivel aumenta a partir de 40 tormentas eléctricas en el pie de la cordillera 

oriental hasta 120 tormentas eléctricas en el extremo colombiano oriental. En la frontera, sistemas 

progresivos de lengua vienen de Venezuela y entran a Colombia con un valor de 120 tormentas 

eléctricas. Van hacia el centro donde finalmente alcanzan un valor de 60 tormentas eléctricas. 

Grandes secciones del Amazonas registran valores de 40 a 60 tormentas eléctricas. 

3. TENSIÓN Y CONEXIÓN 

El nivel de tensión y el grupo de conexión son fundamentales y es evidente discernir si la 

instalación es monofásica o trifásica y así mismo su nivel a 208V o 480 V , etc.. 

De la misma manera una vez se establece el nivel de tensión es esencial determinar si es conexión 

“Y” o “Delta”. 

4. CLAMPING 

El camping o residual se define como tensión remanente del transitorio que el DPS desvía a tierra. 

Cuando el supresor esta derivando la intensidad generada por una sobretensión, en sus extremos 

aparece una tensión debida a su propia impedancia. 

El supresor ideal debe derivar toda la corriente de descarga generada por la sobretensión y la 

tensión residual generada debe ser menor que la soportada por el equipo a proteger. 

Los laboratorios UL en su publicación UL 1449 define diferentes niveles de tensiones residual que 

el bajo condiciones normales de utilización, el supresor deja pasar a la instalación (sobretensiones 

remanentes). Entre más bajo el nivel de “tensión residual” de un supresor, será mejor. Sin 

embargo, cuanto mayor sea la corriente máxima de descarga del supresor, mas alto será el valor 

de la tensión residual (Clamping).

Conseguir un alto poder de descarga y un bajo valor de tensión residual en un mismo supresor es 

difícil, por lo que la utilización de un único TVSS no asegura la protección de toda la instalación 

donde existan equipos sensibles. Para ello se recomienda colocar 2 o más supresores de forma 

coordinada: dentro del concepto de coordinación de protecciones finas. 

5. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO DE LA INSTALACION 

Los DPS se instalan normalmente en paralelo antes del primer medio de desconexión y esta 

conexión se realiza inmediatamente aguas arriba de la protección magnetotérmica. 

Dentro del proceso de filiación y selectividad en la coordinación de protecciones debe existir 

perfecta correlación entre las protecciones finas (DPS) y las protecciones magnetotérmicas; para lo 

cual es de vital importancia considerar la capacidad interruptiva de estos. 

Se espera que una instalación eléctrica desde nivel de riesgo bajo hasta nivel de riesgo alto posea 

SPI (sistema de protecciones internas); el cual incluye intrínsecamente los DPS . 

Se espera que un DPS clase B desvie el transiente por maniobra y pueda manejar el clamping 

después de 2500 us por la protección instalada inmediatamente aguas abajo. 

En cualquier condición siempre se debe instalar una protección magnetotérmica aguas abajo del 

DPS o TVSS. 

6. OTROS 

Existen otra serie de características que deben cumplir los DPS y que son mandatorios dentro de 

lo que es la selección y la especificación de estos dispositivos: 

• Tiempo de respuesta inferior a 15ns 

• La energía en joules asociada con la forma de onda y el valor pico de la onda. 

• Los 10 modos de protección (tres fases con neutro, tres fases con tierra, neutro –tierra y fases 

entres sí). 

• Modularidad en todos los modos de protección. (clase C). 

• Listado UL 1449 que avala el cumplimiento de la norma ANSI/IEEE C62.41 

• Los supresores o TVSS limitan o filtran la potencia inducida por estas ondas de tensión a través 

de un sistema de varistores (Metal oxide Varistor – MOV) que absorben los impulsos de energía 

de la sobre tensión. Los varistores son elementos de resistencia variable (o de comportamiento 

no lineal), gracias a los cuales, los supresores se comportan como un cortocircuito, ante una 

sobre tensión de gran magnitud (que supere su valor de tensión ajustado: Umbral de disparo), 

derivando esa energía a tierra y evitando que pase por los equipos sensibles. Después de varios 

impactos, la varistancia envejece y debe reemplazarse; para lo cual las especificaciones de 

tensión de lo s MOV´s resultan bastante importantes.. 

• Corriente máxima de descarga: Es el valor de la corriente en kA, que puede pasar por el 

supresor al menos una vez. 

• Corriente nominal de descarga: Es la corriente de descarga (en kA) que el supresor debe 

soportar como mínimo 20 impactos sin deteriorarse. 

Referencias. 

ANSI/IEEE C62.41 Recommended Practice on Surge Voltages in Low Voltage AC Power Circuits 

ASI/IEEE C 62.45 IEEE Guide of Surge Testing for Equipment Connected to Low Voltage AC Power Circuits

ANSI/IEEE C62.33 – Standard Test Specifications for Varistors Surge Protective Devices 

Horacio Torres- Elaboration and Application Of a Lightning Risk Map- CIGRE INTERNATIONAL CONFERENCE – 

Septiembre de 1998 

NTC 4552- Norma Técnica Colombiana de Protecciones Externas 

RETIE- REGLAMENTO TECNICO DE INSTALACIONES ELECTRICAS..

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