Fiabilidad, funcionalidad y protecciones: puntos clave en la elección del alumbrado exterior LED

“Faroles fernandinos LED instalados en centro de Oviedo, Asturias”.

Por Guillermo Redrado, vicepresidente de operaciones de ATP. Conferencia magistral ofrecida en el XLIII Simposium Nacional de Iluminación (España). 

RESUMEN 

La fiabilidad, las protecciones contra sobretensiones y la vida útil de las luminarias LED son objeto de preocupación en el sector, pues dichos factores determinan el correcto desempeño de las instalaciones a lo largo del tiempo. En el presente artículo se expondrán los aspectos clave que deben tenerse en cuenta al optar por una u otra luminaria con la finalidad de realizar una instalación fiable y con las máximas garantías. Asimismo, se describirán los distintos tipos de sobretensiones y los peligros que éstas representan para los componentes electrónicos de las luminarias LED. Por último, se ofrecerán unas breves conclusiones con las referencias básicas para elegir una solución eficaz, segura y duradera. 

I. Peligros de las sobretensiones en las luminarias LED 

Uno de los problemas esenciales de las nuevas instalaciones con luminarias LED es la sensibilidad propia de esta tecnología a las sobretensiones transitorias y permanentes. Es primordial tener en cuenta que los inconvenientes producidos por las sobretensiones transitorias son una nueva circunstancia que antes de la implantación masiva del LED ni siquiera se tomaba en consideración, ya que los balastos magnéticos que se instalan con las lámparas de descarga –entre otras– no son sensibles a este tipo de picos. Es por eso que a día de hoy resulta pertinente revisar el origen de las sobretensiones así como sus consecuencias y las posibles soluciones que podemos adoptar.

Para comprender con exactitud cómo se debe proteger una luminaria LED es imprescindible conocer los tipos de perturbaciones que pueden darse en una instalación. De forma general, podemos clasificar las sobretensiones a las que se ve sometida una luminaria en dos tipos: permanentes y transitorias. Las primeras se refieren a una tensión de red mantenida por encima de su valor nominal durante un largo periodo de tiempo. Las transitorias, en cambio, son de corta duración y se dividen en tres grupos: perturbaciones procedentes de la red eléctrica ocasionadas por maniobras en la misma, picos de tensión generados por descargas atmosféricas y sobretensiones provocadas por la acumulación de carga electrostática en la luminarias (ESD, por sus siglas en inglés). Estos tres últimos peligros pueden causar fácilmente que una luminaria LED deje de funcionar.

II. Tipos de sobretensiones Sobretensiones permanentes 

Ruptura del neutro 

Las sobretensiones permanentes o temporales se producen con más frecuencia en redes trifásicas por la ruptura del neutro. También puede suceder que se produzcan elevaciones súbitas de tensión a ciertas horas de la noche debido al cese de actividad de las zonas industriales, pero estas últimas no bastan para deteriorar las luminarias que incorporen un driver de calidad.

Los picos motivados por la ruptura del neutro elevan la tensión en una de las líneas hasta tener unos 400 Vac. Dependiendo de la calidad del driver que incorpore la luminaria, esta tensión se puede soportar unos minutos sin daños, pero terminará produciendo deterioro si continúa. Para tener total protección contra sobretensiones permanentes o mantenidas, se deben incluir unos protectores especiales en el cuadro eléctrico que corten automáticamente la alimentación a la línea que presente el problema.

Esquema I: Sobretensión por ruptura del neutro

Sobretensiones transitorias 

Maniobras en la red eléctrica 

De las tres sobretensiones transitorias aquí expuestas, son éstas las menos peligrosas para la luminarias LED, y se producen al realizar maniobras en la red eléctrica, como por ejemplo las conmutaciones en red de baja tensión debidas a apagados o encendidos. Otras están provocadas por la convivencia de faroles con tecnología convencional –balastos magnéticos– en la misma línea que las luminarias LED. Tales perturbaciones son impulsos de varios kV, y pueden producir el envejecimiento prematuro de los drivers e incluso, si éstos no estabilizan bien la corriente, llegar a afectar a los LED.

La solución a este problema es relativamente sencilla y económica: para que no se produzca ningún deterioro, es suficiente 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 

Las sobretensiones ocasionadas por descargas atmosféricas son las que más riesgos suponen para las instalaciones LED, ya que originan picos de tensión de varias decenas de kV. Cabe aclarar que la caída directa de un rayo en una luminaria la destruye totalmente, y no hay sistema de protección que pueda evitarlo. Las protecciones en luminarias LED son, pues, para mitigar los efectos indirectos de la caída de esos rayos, y se instalan en el báculo del conjunto o en la luminaria.

Estas sobretensiones suelen propagarse a través de la toma de tierra –ya que buscan el camino por el que hay menos impedancia–; es por eso que afectan más intensamente a las luminarias Clase I que a las Clase II. Las consecuencias pasan por la destrucción del driver y, en ocasiones, por la avería de los LED. Estos trastornos pueden solucionarse mediante la instalación de equipos con protecciones integradas; en este caso dichas protecciones deben estar dimensionadas para resistir este tipo de sobretensiones.

También puede instalarse un dispositivo de protección externo al driver, diseñado específicamente para cumplir esa función. Este último mecanismo tiene la ventaja de que el protector, al fallar, 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 se debe valorar la relación coste/riesgo.

Esquema III: Sobretensión por descarga atmosférica

Descargas electrostáticas (ESD) 

Como indica su nombre, una descarga electrostática o ESD es una transferencia de carga por fricción (viento y partículas) de la carcasa metálica debida a una diferencia de potencial. Conviene saber que las ESD pueden alcanzar valores de decenas de miles de voltios. Teniendo en cuenta que tanto ciertos elementos del driver como los transmisores soportan sólo 100 V de tensión y que los LED de potencia que se suelen ver en las luminarias de alumbrado público aguantan alrededor de 5000 V, resulta fácil constatar el peligro que suponen las ESD para la iluminación de diodos emisores de luz.

Es por ello esencial tener muy presentes los fenómenos ESD tanto en el proceso de producción como en el de instalación y funcionamiento de las luminarias. Estas descargas son más o menos acusadas dependiendo de agentes externos como la humedad relativa, la temperatura y el nivel de ionización del aire, y de otros inherentes al diseño de la luminaria, como vibraciones asociadas al tipo de ensamblaje y el viento, o la propia geometría y material de fabricación del producto.

Esquema IV: Sobretensión por descarga electrostática

III. Las luminarias Clase II ante las descargas atmosféricas y las ESD 

Partimos de la base de que todas las luminarias LED deben incorporar protecciones contra sobretensiones, que pueden estar integradas en el mismo driver o ser dispositivos externos instalados en otras partes del farol o en el báculo. En el momento de seleccionar una luminaria, también se debe tener en cuenta que, dependiendo de su construcción y del tipo de materiales que se hayan utilizado en su fabricación, existen modelos más sensibles que otros a sufrir averías debido a sobretensiones.

Por ejemplo, las luminarias Clase II no tienen toma de tierra, y gracias a ello se erradica el principal camino de entrada de perturbaciones a la red causadas por descargas atmosféricas y se minimiza la posibilidad de sufrir menoscabos ante tormentas eléctricas. Sin embargo, las luminarias Clase II que se encuentran instaladas en columnas y brazos también Clase II pero que tienen partes metálicas expuestas –esto es, cuando el cuerpo de la luminaria es de acero, aluminio, etc.–, son susceptibles de sufrir descargas electrostáticas que inutilizan los LED y en la mayoría de los casos también los drivers.

Precisamente a causa de que las luminarias Clase II no tienen toma de tierra, se facilita la acumulación de carga electrostática en la cara externa de los chasis y difusores. Si la carga de dichas partes aislantes alcanza ciertos límites, se produce la ESD a través de la vía con menos resistencia. Normalmente, este camino es a través del módulo LED y el equipo electrónico, lo que causa la avería de alguna de las partes o de ambas. Si bien dichas descargas son de baja energía, pueden alcanzar decenas de kV, por lo que la mayoría de los componentes electrónicos no pueden sobrevivir a ellas.

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 tienen la función de evacuar 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 evacuación a través del neutro.

IV. Ubicación de los protectores 

Hasta fechas recientes, todos los fabricantes de protectores recomendaban la instalación de los mismos lo más cerca posible del equipo electrónico. Sin embargo, tras numerosos ensayos y comprobaciones, se ha conseguido demostrar que instalando el protector en el registro de la columna y un equipo electrónico con protección integrada en la luminaria, la tensión residual de dicho protector después de parar una sobretensión transitoria no es capaz de dañar el driver.

Incluir el protector en el registro de la columna tiene grandes ventajas a la hora de realizar el mantenimiento de una instalación, ya que en el caso de que sea necesario comprobar el estado de uno de estos dispositivos, no se requiere ningún elevador o transporte especial para poder acceder a él y sustituirlo si fuese necesario. En cambio, si el protector está instalado en la luminaria, no hay otra opción que llegar a ella para acometer cualquier puesta a punto, lo cual en algunos casos es muy costoso.

V. Conclusiones 

De todo lo expuesto se extraen cuatro conclusiones básicas que nos pueden servir como guía a la hora de elegir una solución fiable y duradera:

  • Es esencial proteger las luminarias LED incorporando protecciones contra las sobretensiones o instalando drivers que las lleven integradas.

 

  • Resulta preferible decantarse por luminarias Clase II, ya que son menos vulnerables a las sobretensiones que puedan producirse en la red eléctrica a causa de diversos motivos.

 

  • Las luminarias sin partes metálicas externas eluden las descargas electrostáticas (ESD), por lo que es deseable optar por productos fabricados íntegramente con polímeros aislantes.

 

  • Con el objetivo de conseguir un mantenimiento sencillo y económico del alumbrado público, es conveniente instalar los sistemas de protección contra sobretensiones en una ubicación de fácil acceso, como es el registro de la columna o báculo.

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