¿Cómo proteger de sobretensiones al alumbrado exterior LED?

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El servicio público de iluminación puede ponerse en riesgo o llegar a suspenderse por problemas en el suministro, una mala conexión en la red o fenómenos atmosféricos

Reportaje elaborado a partir del artículo Fiabilidad, funcionalidad y protecciones: puntos clave en la elección del alumbrado exterior LED, de Guillermo Redrado, vicepresidente de Operaciones de ATP Iluminación

Con la llegada del LED, la vulnerabilidad a las sobretensiones de esta tecnología llamó la atención del sector, pues antes de ello los balastos magnéticos instalados con las lámparas de descarga —y de otro tipo — no eran sensibles a los picos en el suministro eléctrico. Actualmente se sabe que es un aspecto del que depende la vida útil de las luminarias LED y su correcto desempeño, por lo que es muy importante revisar las características de la luminaria y los drivers para asegurar que nos brinden garantías de protección frente las sobretensiones.

Una luminaria LED es muy sensible a las sobrecargas eléctricas que puede sufrir una instalación. Se conocen dos tipos de sobretensiones: permanentes y transitorias.

Las permanentes se refieren a una tensión de red mantenida por encima de su valor nominal durante un largo periodo de tiempo. Se producen con mayor frecuencia en redes trifásicas por la ruptura del neutro, aunque pueden aparecer por elevaciones súbitas de tensión a ciertas horas de la noche debido a la interrupción o cese de actividad de las zonas industriales.

Al haber ruptura del neutro, la tensión se eleva en una de las líneas hasta tener unos 400 VAC, y puede ser soportada, sin causar daños, durante unos minutos si el driver que tiene la luminaria es de buena calidad. Entonces, las luminarias deben incluir en el cuadro eléctrico protectores especiales que corten automáticamente la alimentación a la línea que presente el problema, y de esa manera se protegerá contra sobretensiones permanentes o mantenidas.

Esquema I: Sobretensión por ruptura del neutro.

Las sobretensiones transitorias son de corta duración y se dividen en tres grupos:

• Maniobras en la red eléctrica. Afectan en menor medida a las luminarias LED, y se producen como consecuencia de los cambios en red de baja tensión debidos a apagados o encendidos. En otros casos son provocadas por la conexión de lámparas o faroles con tecnología convencional —balastos magnéticos— en la misma línea que las luminarias LED. Estas perturbaciones son impulsos de varios kV y pueden provocar la degeneración prematura de los drivers e, incluso, si éstos no estabilizan bien la corriente, llegar a afectar a los LED.

Para evitar este problema basta con integrar un equipo electrónico que tenga una protección incorporada entre línea y neutro (modo diferencial) de unos 6 kV.

Esquema II: Sobretensión por maniobras en la red eléctrica.

• Descargas atmosféricas. Son las que más daños pueden causar a las instalaciones LED, ya que originan picos de tensión de varias decenas de kV. Un fenómeno atmosférico de este tipo es un rayo, que de caer sobre una luminaria la destruirá totalmente, y no hay sistema de protección que pueda evitarlo. En luminarias LED, las protecciones se instalan en el báculo del sistema y atenuarán los efectos indirectos de la caída de esos rayos.

Estas sobretensiones afectan con mayor intensidad a las luminarias Clase I que a las Clase II, pues suelen propagarse a través de la toma de tierra, ya que buscan el camino por el que hay menos impedancia. El efecto será la destrucción del driver y, en ocasiones, avería de los LED.

Para resistir este tipo de sobretensiones se pueden instalar equipos con protecciones integradas, o bien incorporar un dispositivo de protección externo al driver, diseñado específicamente para cumplir esa función y que tiene la ventaja de que, en caso de fallo, abre el circuito de alimentación y evita que la sobretensión llegue al driver. Sin embargo, esta solución resulta más cara que la que va integrada, por lo que debe evaluarse la relación coste/riesgo.

Esquema III: Sobretensión por descarga atmosférica.

• Descargas electrostáticas (ESD en inglés). Es una transferencia de carga por fricción (viento y partículas) de la carcasa metálica originada por una diferencia de potencial y puede alcanzar valores de decenas de miles de voltios. Podemos entender el riesgo que ello implica si tomamos en cuenta que ciertos elementos del driver —como los transmisores— soportan apenas 100 V de tensión, y que los LEDs de potencia comunes en las luminarias de alumbrado público aguantan alrededor de 5000 V.

Este tipo de descargas pueden propiciarse por agentes externos, como la humedad relativa, la temperatura y el nivel de ionización del aire, así como de elementos relacionados con el diseño de la luminaria, como vibraciones asociadas al tipo de ensamblaje y el viento, o la propia geometría y material de fabricación del producto. De ahí la importancia de tener presentes los fenómenos ESD, tanto en el proceso de producción como en la instalación y funcionamiento de las luminarias.

Esquema IV: Sobretensión por descarga electrostática.

Luminarias Clase II

Existen modelos de luminarias más sensibles que otros a sufrir averías por sobretensiones, y ello depende directamente de su construcción y del tipo de materiales que se hayan utilizado en su fabricación.

Las luminarias Clase II no tienen toma de tierra. Esto anula las afectaciones a la red causadas por descargas atmosféricas, y reduce, asimismo, la posibilidad de sufrir problemas ante tormentas eléctricas. Sin embargo, cuando el cuerpo de las luminarias es de acero, aluminio, etc. y están instaladas en columnas y brazos también Clase II que tienen partes metálicas expuestas, son susceptibles de sufrir descargas electrostáticas que afectarán a los LED y en la mayoría de los casos también a los drivers.

Sin embargo, las luminarias sin partes metálicas accesibles no padecen este problema. Aquellas cuyo cuerpo está fabricado con polímeros técnicos aislantes eluden las ESD, ya que la descarga o chispa del exterior al interior de la luminaria sólo se puede producir a través de un material conductor, como el metal. Los sistemas de protección que se instalan en este tipo de luminarias evacúan la acumulación de carga, de manera que no se llegue a la ESD. Al no haber toma de tierra, los protectores contra descargas electrostáticas para luminarias Clase II suelen efectuar la descarga a través del neutro.

Luminaria Paseo A, de ATP Iluminación.

Nuevas soluciones

Hoy en día existen fabricantes de iluminación exterior que han optado por materiales no conductores como alternativa al metal, lo que influye directamente en la capacidad de dicho alumbrado para evitar los picos de tensión. Este es el caso de la compañía navarra ATP, cuyas luminarias, gracias a una arquitectura robusta y a estar fabricadas a partir de polímeros técnicos de ingeniería, se encuentran totalmente protegidas contra las sobretensiones de cualquier tipo.

Por una parte, se trata de productos Clase II por naturaleza y no necesitan toma de tierra, que es el principal camino de entrada de las descargas atmosféricas. Toda la envolvente de estas luminarias, igualmente, está compuesta de polímeros técnicos de ingeniería en lugar de metal, lo que elimina la posibilidad de que se produzcan ESD. Así, estos materiales aislantes forman una barrera que impide que las descargas de cualquier tipo accedan a la luminaria, incluso si éstas se montaran en columnas o báculos metálicos.

«Esta combinación de elementos convierte al alumbrado exterior LED de ATP en el único realmente inmune a las sobretensiones. Para nosotros es fundamental asegurar la vida útil del producto y, por tanto, su seguridad lumínica, lo que respaldamos con nuestra garantía integral de 10 años», explica a Iluminet el ingeniero Guillermo Redrado, vicepresidente de operaciones de ATP Iluminación.

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