protección de equipos electrónicos sensibles ante sobretensiones(7)proteccion de ees - 238

Protección de equipos electrónicos sensibles ante

sobretensiones

Dr. Angel Valcárcel RojasUniversidad Central de Las

Villas

CONTENIDO INTRODUCCIÓN PRINCIPIOS GENERALES SISTEMA EXTERIOR DE PROTECCIÓN CONTRA

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS SISTEMA INTERIOR DE PROTECCIÓN CONTRA

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DETERMINACIÓN DE LA INTERFERENCIA EN EL

INTERIOR DE LAS ZONAS DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES (SURGE PROTECTIVE DEVICES, SPD).

INTRODUCCIÓNLa protección contra descargas atmosféricas se ocupa principalmente de evitar daños a personas y propiedades; sin embargo, debido al incremento en la utilización de equipos electrónicos en los sistemas de información y procesamiento de datos, hoy en día el diseño del Sistema de Protección Integral contra Descargas Atmosféricas debe considerar los equipos sensibles a las variaciones de voltaje que se producen como consecuencia de los fenómenos electromagnéticos asociados a dichas descargas.

Desde el punto de vista de la Compatibilidad Electromagnética, el Sistema de Protección Integral contra Descargas Atmosféricas busca minimizar los efectos electromagnéticos asociados a estas descargas; esto con el fin de garantizar el correcto funcionamiento de los equipos electrónicos.

Objetivos.

Definir las posibles causas de daños en equipos electrónicos, por la ocurrencia de eventos de alta frecuencia, específicamente descargas atmosféricas.

Establecer las definiciones de Compatibilidad Electromagnética y su importancia para garantizar no sólo protección sino buen funcionamiento general de los equipos sensibles.

Establecer los criterios de diseño para la protección de equipos sensibles en instalaciones de baja tensión, contra descargas atmosféricas, utilizando definiciones de Compatibilidad Electromagnética.

Se plantean como objetivos de esta parte del curso lo siguiente:

En el desarrollo del curso se establecen los

criterios especificados por la normativa

internacional que deben ser considerados a la

hora de diseñar un Sistema de Protección

Integral contra Descargas Atmosféricas para

instalaciones de baja tensión que incorpore

entre sus funciones aquellas relacionadas a la

Compatibilidad Electromagnética de los equipos

sensibles

Primeramente se presentan ideas generales que justifican el diseño e instalación de un Sistema de Protección contra Descargas Atmosféricas (SPDA) en edificaciones que contienen equipos electrónicos sensibles a las variaciones de voltaje. Estas ideas involucran los siguientes conceptos:

• Fuentes de Sobretensiones que afectan a las instalaciones que contienen equipos sensibles.

• Tipos de acoplamiento de la corriente proveniente de una descarga atmosférica.

• Factor de apantallamiento.• Evaluación del riesgo de daño debido a las descargas

atmosféricas. Determinación de la necesidad de un SPDA.

• Determinación de los niveles de protección de un SPDA.

• Definición de las Zonas de Protección contra Descargas Atmosféricas.

PRINCIPIOS GENERALES

• Fuentes de Sobretensiones que afectan a las instalaciones que contienen equipos sensibles.

• Tipos de acoplamiento de la corriente proveniente de una descarga atmosférica.

• Factor de apantallamiento.

• Evaluación del riesgo de daño debido a las descargas atmosféricas. Determinación de la necesidad de un SPDA.

• Determinación de los niveles de protección de un SPDA.

• Definición de las Zonas de Protección contra Descargas Atmosféricas

Primeramente se presentan ideas generales que justifican el diseño e instalación de un Sistema de Protección contra Descargas Atmosféricas (SPDA) en edificaciones que contienen equipos electrónicos sensibles a las variaciones de voltaje. Estas ideas involucran los siguientes conceptos:

FUENTES DE SOBRETENSIONES QUE AFECTAN LAS INSTALACIONES QUE CONTIENEN EQUIPOS SENSIBLES Las instalaciones eléctricas equipadas con aparatos electrónicos sensibles a las perturbaciones electromagnéticas pueden verse expuestas a peligros derivados de las variaciones de sobrevoltaje por:

- Campos electromagnéticos originados por maniobras en las instalaciones de alta tensión.

- Impulsos de descargas que impactan zonas aledañas a la instalación.

- Explosiones nucleares.

- Descargas electrostáticas.

- Impactos directos de descargas atmosféricas, el factor de máxima peligrosidad.

CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ORIGINADOS POR MANIOBRAS EN LAS INSTALACIONES DE ALTA TENSIÓN

Este tipo de fenómenos se presenta en redes

eléctricas que sufren modificaciones bruscas de

sus circuitos (abertura de aparatos de

protección, abertura y cierre de aparatos de

mando). Las sobretensiones producidas se

propagan en general en forma de ondas de alta

frecuencia con amortiguación rápida.

SOBRETENSIONES INTERNAS

En los sistemas eléctricos se pueden presentar dos tipos de sobretensiones: las de origen interno y las de origen externo. Las sobretensiones de origen interno son producto de fallos y operaciones en el sistema, y su magnitud dependerá de la cantidad de energía atrapada en el campo magnético y electrostático de la línea, dependiendo por lo tanto, de los parámetros de la línea.Las sobretensiones de origen externo son producidas por las descargas atmosféricas, las cuales al incidir en una línea o cerca de esta dan lugar a ondas viajeras que se transmiten a lo largo de la misma.Si la magnitud de ambas sobretensiones es superior a la tensión establecida por el nivel básico de aislamiento, se producirá un fallo en el aislamiento con la consiguiente interrupción en el servicio.

SOBRETENSIONES INTERNAS Bajo muchas condiciones que se pueden presentar en los sistemas eléctricos, la tensión en el mismo puede superar la tensión existente bajo condiciones de estado estable.Las sobretensiones internas más peligrosas para el aislamiento del sistema son aquellas asociadas a procesos transitorios, en los cuales se pueden presentar sobretensiones con magnitudes de varias veces el valor pico de la onda de tensión a frecuencia de potencia.En el análisis del aislamiento de los sistemas eléctricos, las sobretensiones internas pasan a un primer plano para tensiones de 300 kV. y más, siendo las causas básicas que determinan este fenómeno tanto la magnitud de la sobretensión, como la combinación del valor máximo de la onda de tensión y la forma de la misma pues ella normalmente alcanza su valor máximo en tiempos para los cuales se presenta el nivel más bajo en la tensión de ruptura del aislamiento, fundamentalmente para sobretensiones de polaridad positiva.Por diferentes causas también pueden aparecer sobretensiones a frecuencia de potencia, alguno de las cuales pueden llegar a veces a ser peligrosas; sin embargo, lo más común es que no se produzcan sobretensiones que puedan afectar notablemente al aislamiento.

CARACTERÍSTICAS

Las sobretensiones internas producidas en los sistemas eléctricos son

normalmente de naturaleza transitoria y se presentan durante la

transición de una condición de estado estable a otra. Las mismas

pueden ser de dos tipos:

1.- Sobretensiones a frecuencia de potencia.

2.- Sobretensiones transitorias.

Las sobretensiones a frecuencia de potencia se asocian a algunos

tipos de fallos: corrimientos del neutro, de resonancia, malas

operaciones con las cargas reactivas y otros. Estas sobretensiones

a frecuencia de potencia son comúnmente de mayor duración que

las de naturaleza propiamente transitoria. Las sobretensiones

transitorias se pueden producir por cambios simples en los

circuitos: apertura o cierre de los interruptores y por cambios mas

complejos: asociados a fallos a tierra intermitentes o debido a

procesos aún mas complejos: reiniciación del arco entre los contactos

de un interruptor.

En todos estos casos la fuente principal de energía es la

energía atrapada en la línea. Los factores principales que

inciden en la magnitud de las sobretensiones internas

son:

1.- Características de aterramiento.

2.- Condiciones de estado estable de la línea previo al

cambio.

3.- Parámetros de la línea.

4.- Características de los sistemas de interrupción.

5.- Características de los fallos.

6.- Posibilidad de operaciones incorrectas con las

cargas reactivas.

7.- Posibilidad de resonancia, etc.

Para sistemas de 300 kV. y más son estas sobretensiones las que

determinan el nivel de aislamiento y las mismas siempre son

oscilaciones amortiguadas, cuya frecuencia natural puede variar desde

unos pocos cientos de ciclo hasta los miles de ciclos. La razón de

crecimiento de la oscilación hasta alcanzar su primer valor máximo

es mucho más lenta que la correspondiente a una sobretensión

producto de una descarga atmosférica. Los tiempos de frente

normalmente oscilan entre 0,1 y 1 ms, habiéndose podido comprobar

que la ruptura superficial, en el aislamiento externo de los sistemas

eléctricos, producidas por las sobretensiones internas (además de

presentarse a niveles de tensiones menores debido a las características

tensión-tiempo de dicho aislamiento), ocurren antes del primer valor

máximo, por lo que en muchos laboratorios de prueba las mismas son

simuladas por ondas de impulso con tiempos de frente entre los 10 y los

600 y con tiempos de cola del orden de los miles de . s

Otro aspecto muy importante, en lo relacionado con las

sobretensiones internas, es que las mismas se originan en

las propias subestaciones, por lo que el aislamiento de

estas estará sometido a sus efectos sin que haya

amortiguamiento, como es el caso de las sobretensiones

producidas por las descargas atmosféricas, que

normalmente se generan en las líneas y se amortiguan

bastante antes de afectar el aislamiento de las

subestaciones.

SISTEMAS CON EL NEUTRO AISLADO

SISTEMAS CON EL NEUTRO AISLADO

Los sistemas con el neutro aislado, se usan actualmente solo para tensiones de distribución y menores. La ventaja inicialmente analizada para estos sistemas era la de que fallos a tierra permitían mantener el servicio, pero a esta ventaja se contraponen las sobretensiones a tierra intermitentes, y los problemas concernientes al aislamiento de este tipo de fallo, situaciones estas fáciles de controlar en los sistemas aterrados.En los sistemas con el neutro aislado se pueden producir sobretensiones producto de un fallo a tierra sólida cuya magnitud será de ; sin embargo en el caso de un fallo intermitente se pueden producir sobretensiones de hasta 5-6 veces la tensión nominal.En el sistema que se muestra en la Figura 1.1.1.2.1, bajo condiciones normales de operación , el punto N de la estrella está a cero potencial a pesar de que el mismo no está conectado a tierra. Cuando se presenta un fallo a tierra en una línea, la corriente de fallo es limitada por las capacitancias de línea a tierra. Así se tiene que si If es la suma fasorial de Icab y de Icab, estando estas corrientes adelantadas 90° a Uab y Uac, en tanto que If adelanta a Ua por 90°.

3 U f

N

c

b

a

If

Icab Icac

Uc

-Ub

Uab

Ua

Uac

-Uc

IfUb

Icac

Icab

Figura 1.1.1.2.1 Fallo a tierra en un sistema aislado

Las consecuencias derivadas de esta situación son:

.- Incremento de la tensión con respecto a tierra de las fases

no falladas, el cual pasa de Uf a 1.73 Uf, es decir, pasa a

tener respecto a tierra una tensión igual a la tensión de línea.

Esta situación, aunque indeseable, no es un gran

inconveniente pues el aislamiento del sistema soporta dicha

condición sin mayores dificultades.

.- Se producen caídas de tensiones peligrosas a lo largo del

suelo en las proximidades del punto de contacto con tierra.

.- Incrementos bruscos del potencial del punto neutro con las

consiguientes sobretensiones transitorias debido a fallos a

tierra intermitentes.

Figura 1.1.1.2.2 Fallo intermitente a tierra en un sistema aislado

De no establecerse un contacto sólido en el fallo, al pasar la corriente por cero la misma se extingue, manteniéndose el punto neutro al potencial adquirido debido a la carga atrapada; transcurrido 1/2 ciclo la tensión de la fase a se ha invertido, tal como se muestra en parte superior de la Figura 1.1.1.2.2c. Con esto la diferencia de potencial aplicada al punto de fallo pude llegar a provocar de nuevo que el arco se reinicie, con lo que el potencial de la fase a tenderá de nuevo a buscar el potencial de tierra a través de un proceso oscilatorio; sin embargo, si la corriente establecida al reiniciarse el arco pasa por cero y se extingue cuando el potencial del punto neutro está en su valor negativo máximo, el triángulo de tensión quedará ocupando la posición indicada en la parte inferior de la Figura 1.1.1.2.2c debido a que de nuevo la línea se ha aislado de tierra. Transcurrido 1/2 ciclo más, se repiten las mismas condiciones por lo que puede repetirse de nuevo el mismo proceso, tal como se muestra en l a Figura 1.1.1.2.2d. Las condiciones señaladas para el fenómeno antes descrito fueron las óptimas; ahora bien, en la realidad es muy poco probable que la reiniciación del arco tenga lugar cuando la tensión de la fase fallada esté en su valor máximo; normalmente se presenta antes, con lo que las sobretensiones son de menor magnitud que las descritas, siendo en la práctica los máximas tensiones encontradas de 5 a 6 veces el nominal. La única forma efectiva de eliminar este tipo de sobretensiones es aterrando el sistema.

SISTEMAS CON EL NEUTRO ATERRADOPara evitar los problemas presentados en los sistemas con el neutro aislado, se procedió a aterrar estos; en la actualidad todos los sistemas de transmisión a alta tensión son con el neutro aterrado.Las principales ventajas de aterrar el neutro, así como las principales desventajas son: Ventajas de los sistemas con neutro aterrado. (a) La tensión de línea a tierra no excede Umax.(b) Se pueden usar sistemas de protección basados en la detención de la corriente de fallo a tierra.(c) No se presentan sobretensiones grandes debido a fallos intermitentes a tierra. Sus desventajas. (a) La corriente de fallo a tierra es muy alta ya que no está limitada por las capacitancias como ocurre en los sistemas aislados.(b) Es necesario hacer las conexiones a tierra de todos los puntos vulnerables del sistema.(c) Debido a la alta corriente de fallo esta debe ser inmediatamente eliminada.Por otra parte para tensiones superiores a 33 kV. el costo del aislamiento en los transformadores y demás equipos es una parte importante del total, por lo que al usar sistemas aterrados y con ello poder usar aislamiento graduado o distribuido se disminuye el costo de los mismos, lo cual constituye otra ventaja importante de los sistemas aterrados.

SOBRETENSIONES DEBIDO A LA RESONANCIA.

Entre los fenómenos que pueden dar lugar a sobretensiones

a frecuencia de potencia en los sistemas eléctricos, se

encuentran los debidos a la resonancia, ya sea del armónico

fundamental o de los armónicos secundarios. Entre los

fenómenos de resonancia revisten una importancia

particularmente grande los debidos a la ferroresonancia.

Como es conocido en los sistemas eléctricos se puede presentar un aumento considerable de la corriente al ocurrir un fenómeno de resonancia. Esta condición se presenta al neutralizarse las reactancias inductivas y capacitivas entre sí, pasando el sistema a ser resistivo. El aumento de la corriente que ello conlleva, hace que al esta circular por cada equipo en particular, provoque en los mismos una caída de tensión que dependerá de la impedancia del mismo, puesto que la corriente está determinada por el circuito en su conjunto. Comúnmente este fenómeno no provoca sobretensiones muy grandes debido a la magnitud tan considerable de las pérdidas en los circuitos comerciales, es decir, debido a que la corriente es limitada por la magnitud de la resistencia total del circuito; sin embargo en algunos casos especiales en que las pérdidas sean pequeñas se pueden presentar sobretensiones de gran magnitud, como por ejemplo en el caso de pruebas a cables.Los sistemas eléctricos más factibles de confrontar estos problemas son aquellos que alimentan extensas redes a base de cables soterrados, condición esta que solo se presenta en los sistemas de distribución. En los sistemas de transmisión lo más común es la ferroresonancia en lo que a resonancia se refiere.

Para un circuito serie la ecuación que lo gobierna está dada por:

2

2

2

12

fCfLRIU

y

tan

2

1

2fL

fCR

Cuando la caída en la capacitancia es igual a la caída en la inductancia se cumple que:

U I R y fLC

oLC

;

01

2

1

Como se aprecia a la frecuencia de resonancia la corriente sólo está limitada por la resistencia del circuito, la cual en los sistemas eléctricos se procura mantener lo más pequeña `posible.La caída de tensión en el elemento capacitivo del circuito resonante está dado por:

22

2 1

RC

UU c

Donde:

es la impedancia característica del circuito

Para la resonancia debido a γ = ω

UU

RC

U

RC

U LC

Rc

LC

Por lo tanto, la relación entre la tensión en el elemento capacitivo y la tensión total es igual a la relación entre la impedancia característica y la rasistencia óhmica del circuito.Para cualquier desviación Δω de la frecuencia forzada ω a partir de la frecuencia natural γ, los valores de la corriente, así como Uc decrecen rápidamente. Debido a los valores de las capacitancias en los circuitos eléctricos a frecuencia de potencia, la frecuencia de resonancia corresponde a los armónicos superiores, los cuales normalmente tienen magnitudes bajas. En el caso de que se presente la resonancia de una armónica cualquiera se va a presentar una distorsión muy marcada de la onda de tensión.

En le caso particular de que se energice un circuito resonante, las

amplitudes máximas de la tensión y la corriente sólo pueden alcanzarse

progresivamente, mediante la acumulación sucesiva de energía en el

circuito, desarrollando el proceso según una función exponencial. Más

peligroso que en el caso en que la frecuencia coincida con la frecuencia

natural de oscilaciones, es el caso en que sea otra muy poco diferente;

para este ultimo aparece un batimiento de las oscilaciones, lo que hace a

la corriente y a la tensión llegar a pasar por valores casi el doble de su

amplitud final.

En las redes de distribución la resonancia puede ocurrir en los grandes

sistemas soterrados alimentados por una línea aérea. En estos casos la

frecuencia natural puede ser del orden del armónico inferior de la tensión

de generación y puede dar lugar a tensiones excesivas en el sistema

entero; pero es aún más posible la resonancia de alguno de los

armónicos, lo que también puede dar lugar a sobretensiones, pero de

mucha menor cuantía.

Otro caso peligroso para la resonancia es cuando los cables

alimentadores de alta capacitancia se protegen contra

corrientes de cortocircuito demasiado altas mediante el uso

de reactores en serie.

Los condensadores estáticos que se usan frecuentemente

para mejorar el factor de potencia de la red pueden constituir

circuitos resonantes con transformadores alimentadores,

particularmente cuando están en vacío debido a que no

existe el amortiguamiento introducido por la carga.

SOBRETENSIONES DEBIDO A LA FERRORESONANCIA.

En los análisis efectuados hasta ahora se ha supuesto que la inductancia

es independiente de la corriente y por lo tanto es constante. Esto se

cumple cuando la trayectoria principal del campo magnético es en el aire

como ocurre en el caso de la inductancia de las líneas aéreas. Si el

campo magnético fluye principalmente a través del hierro, la inductancia

del circuito no es constante, manteniéndose al inicio prácticamente

constante al aumentar la corriente, disminuyendo después, tal como se

desprende del análisis de la Figura 1.1.1.4.1.1

I Figura 1.1.1.4.1.1 Dependencia de la inductancia de la magnitud de la

corriente(L= ).d

dI

En la Figura 1.1.1.4.1.2 se muestra un circuito LC alimentado por un generador de corriente alterna, estando las característica de caídas de tensión en L y C representados en la Figura 1.1.1.4.1.3. Como se puede apreciar la caída correspondiente al capacitor es lineal , en tanto que la correspondiente a la inductancia no lo es por su dependencia de la corriente.

C

L

Figura 1.1.1.4.1.2 Ejemplo de un circuito LC

Como se muestra para la curva Uc1 las curvas de caída en ambos parámetros no se cortan, lo que implica que siempre Uc > U L y por lo tanto, estaremos siempre en presencia de un circuito básicamente capacitivo. Si por el contrario las curvas se cortan, se presenta la siguiente situación: como inicialmente UL > Uc, la tensión U aplicada al circuito será la diferencia entre UL y Uc, ya que siempre se tiene que cumplir que U = UL + Uc. Si la tensión aplicada se comienza a aumentar se llegará a un valor Umax a partir del cual cualquier incremento en el mismo implicará un cambio brusco en el modo de operación del circuito, el cual pasará de inductivo a capacitivo ya que para valores superiores a Umax

Umax

Uc

U

U

L

O

Umax

1

Uc1Uc y UL

I

Figura 1.1.1.4.1.3 Característica de variación de la tensión en la inductancia y en la capacitancia del circuito de la Figura 1.1.1.4.1.2

no hay solución posible a la izquierda del punto O1 ,

pasando el sistema a operar a la derecha de dicho punto,

para el cual si se puede cumplir de nuevo la relación

U = UL + Uc, aunque operando ahora como un circuito

capacitivo. Como se puede apreciar el cambio analizado

provoca un aumento considerable de la magnitud de la

corriente, lo que hace que también aumente la tensión

aplicada a cada uno de los componentes del circuito.

En la Figura 1.1.1.4.1.4 se puede apreciar la característica tensión-

corriente del sistema analizado, la cual tiene como puntos estables de

operación los puntos A y B. Al punto de operación estable A le

corresponden valores de Uc y UL bastante altos, los que dependerán de la

pendiente de la curva correspondiente a Uc, la que está dada por .1

CU

U

UUc

A

U

Uc

U

I

B

L

L

U

Uc

L

Figura 1.1.1.4.1.4 Característica general tensión-corriente de un circuito LC.

Un caso típico en el cual se puede presentar tanto este fenómeno, como el

fenómeno normal de resonancia, se muestra en la Figura 1.1.1.4.1.5, el

cual corresponde a una interrupción en la línea. En el mismo la magnitud

de las sobretensiones que van a aparecer dependerán de la magnitud de

las capacitancias a tierra y de si llega a presentarse o no una inversión en

el modo de operación del circuito.

G

CL

T

Figura 1.1.1.4.1.5 Interrupción en una línea de un circuito con un transformador en vacío.

Un caso de particular importancia se presenta cuando en un

transformador de potencial, que no tenga el neutro aterrado, se

desconecta una de las fases, ya que es probable que se presente la

inversión en el circuito debido a que la magnitud de la corriente de

magnetización de estos transformadores es tan pequeña, que es

comparable a la que circula por las capacitancias a tierra del enrollado y

del conductor que lo une al punto donde está situado el interruptor.

Como se ha visto este fenómeno de ferroresonancia está asociado a los

fallos en transformadores o circuitos sin carga ya que la carga produce

un efecto tal que hace prácticamente imposible su desarrollo.

La ferrorresonancia se manifiesta por varios de los siguientes

síntomas:

sobretensiones permanentes elevadas de modo diferencial (entre

fases) o de modo común (entre fases y tierra),

sobreintensidades permanentes elevadas, grandes distorsiones

permanentes de las formas de onda de tensión y corriente,

desplazamiento de la tensión del punto neutro,

calentamiento de los transformadores (en funcionamiento sin carga),

ruido permanente y excesivamente fuerte dentro de los

transformadores y reactancias,

destrucción de materiales eléctricos (condensadores, TT, TCT, …)

por efectos térmicos o por roturas dieléctricas. Un síntoma

característico de la destrucción de los TT por ferrorresonancia es que

el enrollamiento primario está destruido y el secundario intacto,

disparo de protecciones que puede parecer intempestivo.

Existen medidas prácticas que permiten protegerse de la ferrorresonancia, cuyas sobretensiones, sobreintensidades y distorsiones provocan sobreesfuerzos térmicos o dieléctricos frecuentemente peligrosos para los materiales eléctricos (destrucción, pérdida de cualidades y envejecimiento prematuro de los aislantes...).

Los distintos métodos prácticos se basan en los principios siguientes:

evitar, por diseño y/o por las maniobras apropiadas, encontrarse en una configuración propensa a la ferrorresonancia. Esto implica la eliminación de ciertos esquemas de explotación, de ciertas maniobras en las redes y de ciertos tipos de aparamenta,

evitar que los valores de los parámetros de la red se encuentren (aunque sólo sea temporalmente) en la zona de riesgo y, si es posible, aplicar un margen de seguridad respecto a ésta u otras zonas de riesgo,

asegurarse que la energía aportada por la fuente es insuficiente para mantener el fenómeno. Esta técnica consiste en introducir las pérdidas que en caso de ferrorresonancia amortiguan el fenómeno.

Ejemplos de situaciones de redes eléctricas propicias a la

ferrorresonancia

Transformador de tensión alimentado por la capacidad de un (o

de varios interruptor(es) automático(s) abierto(s)

Transformadores de tensión (TT) conectados a una red con

neutro aislado

Transformador alimentado accidentalmente sobre una o dos

fases

Transformador de tensión y transformadores AT/MT a neutro

aislado

Red con neutro inductivo

Transformador alimentado por una red muy capacitiva y de poca

potencia de cortocircuito

SOBRETENSIONES DEBIDO A LA REINICIACIÓN DEL ARCO ENTRE LOS CONTACTOS DE LOS INTERRUPTORES

Cuando se abre una línea energizada se presentan

sobretensiones que pueden llegar a grandes magnitudes;

los casos más críticos se presentan cuando se

interrumpe una carga capacitiva (líneas en vacío y

baterías de capacitores), y cuando se interrumpe una

carga inductiva forzando la corriente a cero (interrupción

de la corriente de magnetización de un transformador, un

inductor, etc.).

El caso de interrupción de una carga capacitiva se puede representar en el circuito de la Figura 1.1.1.6.1. En el proceso de interrupción de la corriente por un interruptor, tiene lugar cuando la misma pasa por cero. Si se trata de una corriente capacitiva existirá un desfasaje entre la tensión y la corriente de 90°.Al ser interrumpida la corriente, la tensión está en su valor máximo, por lo que la tensión que queda aplicada a los extremos de interruptor va aumentando.Si la razón de crecimiento de la tensión entre A y B (ver Figura 1.1.1.6.1), es menor que la correspondiente al proceso de recobrado de las propiedades aislantes del medio que separa los contactos, el proceso de interrupción es completo y la energía atrapada en se disipará debido a las pérdidas en el aislamiento. Si al contrario, el recobrado de las características aislantes no es suficiente, llegará un momento en que se reiniciará el arco entre los contactos del interruptor. El reinicio del arco se efectúa antes de que la tensión haya cambiado de polaridad, condición para lo cual se restablece la corriente de frecuencia de potencia que había antes de iniciarse la apertura, no produciéndose sobretensiones en el sistema, sólo una pequeña perturbación de frecuencia superior a la de potencia.

Figura 1.1.1.6.1 Circuito que representa la interrupción de una carga capacitiva.

Si se trata de una corriente inductiva, cuando se interrumpa en cualquier punto del circuito, la corriente no deja de circular por la inductancia hasta tanto la energía almacenada en el campo no se haya disipado totalmente, en forma de pérdidas o haya pasado a almacenarse en un campo electrostático, por ejemplo, en el circuito que se muestra en la Figura 1.1.1.6.2, para un instante cualquiera de tiempo, la energía total almacenada está dada por:

U C I Lc2 2

2 2

G

A B

C L

Figura 1.1.1.6.2 Circuito LC

Entonces, al interrumpirse bruscamente, la energía total tiene que

almacenarse en el capacitor C, el cual adquirirá una gran tensión dada

por:

La magnitud de la sobretensión dependerá de la magnitud de la

corriente al ser interrumpida y de la relación L/C.

U U IL

Cc 2 2

En un transformador en vacío como se muestra en la Figura 1.1.1.6.3, si la corriente es forzada a cero los capacitores Cv y Co se cargarán a valores de tensiones muy superiores a los nominales. Estas sobretensiones aparecen tanto en el transformador como en el interruptor, lo que provoca de nuevo el reinicio del arco descargándose Cv a través del circuito, y Co a través del transformador. Es muy posible que el sistema de interrupción del arco del interruptor vuelva a forzar la corriente a cero y el proceso se repite. Cada vez se repite a valores mayores de tensión hasta llegar a un punto en que la tensión requerida es mayor que la que se genera.El encendido del arco cada vez se produce a tensiones superiores y el mismo limita la magnitud de la sobretensión. La magnitud de la sobretensión es del orden de 6 veces la tensión aplicada al transformador.

G C Lv Co

Figura 1.1.1.6.3 Circuito de un transformador en vacío.

SOBRETENSIONES DEBIDO A LA LIMPIEZA DE FALLOS.

Después que se limpie un fallo por los sistemas de protección, transcurre un proceso transitorio a través del cual la tensión se estabiliza, denominándose al transitorio que genera, tensión de recuperación. Después de la limpieza del fallo, a medida que la frecuencia es mayor, los efectos de la sobretensión son peores debido a que la razón de crecimiento aumenta. Si la recuperación dieléctrica del espacio entre los contactos no crece lo suficientemente rápido, el arco se puede reiniciar, lo que puede dar lugar a otra sobretensión. Si el arco se reinicia rápidamente después del cero, el fenómeno se repetirá en el próximo cero exactamente. Sin embargo si el arco se reinicia pasado más de 1/4 de ciclo de la frecuencia de oscilaciones, se pueden producir grandes transitorios.

Otro tipo de sobretensión que se presenta al limpiar un fallo es el caso de los sistemas con el neutro aislado en los cuales ocurre un fallo trifásico ya que debido al desfasaje existente, una de ellas pasará primero por cero, extinguiéndose en el interruptor conectado a esa fase el arco primero que en las demás.

SOBRETENSIONES DURANTE LA CONEXIÓN DE LINEAS FRÍAS.

Durante la conexión de líneas frías, la condición peor que se puede presentar es cuando esta está abierta, ya que la tensión en el extremo abierto puede llegar a ser hasta dos veces el aplicado debido a la reflexión que tiene lugar en dicho extremo. La secuencia del fenómeno que se desarrolla se muestra en la Figura 1.1.1.5.1.

En la Figura 1.1.1.5.1 a, inicialmente viajan hacia el extremo abierto una onda de tensión y otra de corriente, las que al arribar al extremo de la línea abierta son reflejadas, doblándose la tensión y haciéndose cero la corriente pues en este caso Uv = Ur y Iv = -Ir (Figura 1.1.1.5.1 b). Al arribar esta señal a la fuente, como la tensión en ella está fijada por la misma (actúa como un cortocircuito), se produce una onda de tensión y una de corriente de polaridad opuesta dando lugar a las condiciones mostradas en la Figura 1.1.1.5.1 c; estas al arribar de nuevo al terminal abierto se reflejan y dan lugar a las condiciones de la Figura 1.1.1.5.1 d, es decir, la línea retorna a sus condiciones iniciales, por lo que el próximo paso sería el de que salieran de la fuente dos nuevas ondas que repetirían el mismo proceso por lo que la tensión y la corriente oscilarían alrededor de su valor final y el sistema se comportaría como un circuito oscilante.

U U1

I1

2UUr

Ir

U1

2U

I1

Ur

Ir

U1

I1

(a)

(b)

(c)

(e)

(d)

Figura 1.1.1.5.1 Proceso de carga de una línea abierta

Para el caso de una línea real, es decir, con

pérdidas, debido al amortiguamiento que tiene

lugar en la tensión se estabilizarán a un valor

intermedio entre 2 U y cero, y la corriente tenderá

a cero.

En los casos más comunes que se presentan

cuando la línea no está abierta el proceso de

análisis es igual, lo único que considerando la

impedancia terminal de la misma.

Formas de ondas normalizadas que representan las sobretensiones de maniobra: a) onda «muy amortiguada» 250/2500 µs; b) onda «impulsional recurrente» 5/50 ns, que simula, por ejemplo, la fusión de un fusible; c) onda «senoidal amortiguada» 0,5 µs/100 kHz.

DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS

Cuando sobre una edificación, una línea de transporte

de electricidad de cualquier nivel de voltaje, una

subestación eléctrica, etc. se ubica una nube de

tormenta, cuya carga aumenta en la medida que

acumula agua y se crean las condiciones necesarias, en

esto objetos sobre la superficie de la tierra también se

aculan cargas de signo contrario a la de la nube. Si por

una descarga a tierra o entre nubes o dentro de una

misma nube, se produce una disipación de la carga de

la nube, la carga acumulada en los objetos sobre la

tierra tiende también a buscar su equilibrio y esto se

manifiesta como una circulación de cargas hacia la

tierra o lo que se conoce como una descarga

electrostática.

PERTURBACIONES OCASIONADAS POR LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

El impacto directo de las descargas atmosféricas sobre las edificaciones produce un apreciable daño físico. Sin embargo, los efectos indirectos de los impactos cercanos de estas descargas también pueden causar un daño importante ya que se inducen sobretensiones en los terminales de los cables de datos e información .

Las sobretensiones inducidas por las descargas atmosféricas se describen generalmente como “efectos secundarios” y se conocen tres tipos de acoplamiento mediante los cuales las sobretensiones provenientes de las descargas atmosféricas pueden afectar los cables de datos o telecomunicaciones:

a) Acoplamiento Resistivo.

b) Acoplamiento Inductivo.

c) Acoplamiento Capacitivo.

Acoplamiento Resistivo: Cuando una

descarga atmosférica impacta zonas cercanas

a la instalación, ésta (la descarga) causa una

elevación del potencial en las vecindades de

esta instalación. El aumento del potencial en

la tierra afecta los sistemas de puesta a tierra

y se conduce hacia el interior de la instalación

donde viaja a través del sistema eléctrico.

Adicional a esto, cualquier cable que se

encuentre interconectando la instalación

afectada con cualquier otra edificación provee

un camino para que las corrientes afecten a

esta edificación.

Acoplamiento Inductivo: El impacto de una

descarga atmosférica sobre un conductor que

forma

parte del SPDA genera un gran impulso de

energía electromagnética que puede ser

absorbido por

las cables internos de la edificación en forma

de sobretensiones.

Acoplamiento Capacitivo: Los cables de las líneas

de alta tensión generalmente están expuestos a los

impactos de las descargas atmosféricas. Cuando una

descarga atmosférica hace impacto sobre una de

estas líneas, los dispositivos descargadores de

sobretensiones disipan gran parte de la energía; sin

embargo, una porción considerable viaja por las

líneas de distribución y debido a las altas frecuencias

asociadas a este fenómeno, se produce el

acoplamiento capacitivo a través del transformador

hacia los sistemas de potencia de las edificaciones,

destruyendo cualquier equipo electrónico conectado a

este sistema

FACTOR DE APANTALLAMIENTO

El apantallamiento es la medida preventiva que se instala para atenuar los efectos que pudieran tener las sobretensiones sobre los equipos o instalaciones que se desea proteger.

El apantallamiento contra los campos electromagnéticos se realiza en forma de envolturas de superficies cerradas. Para equipos electrónicos éstos vienen representados por Jaulas de Faraday o gabinetes de Compatibilidad Electromagnética (EMC). Para el caso de edificaciones, el apantallamiento se logra mediante la interconexión y puesta a tierra de todos los componentes metálicos de las mismas.

El factor de apantallamiento cuantifica la atenuación de los efectos electromagnéticos (campos magnéticos, sobretensiones) una vez que el SPDA ha sido instalado.

FACTOR DE APANTALLAMIENTO

K = l/SF = Hs/H = Us/U

Donde: SF= Factor de apantallamiento.

H y Hs= Magnitud del campo magnético antes y después de instalado el SPDA.

U y Us= Voltajes inducidos antes y después de instalado el SPDA

El coeficiente de reducción es diferente para lugares particulares dentro de la estructura protegida. La relación entre el coeficiente y el número de conductores para el modelo de una estructura cúbica con un SPDA instalado disminuye de forma hiperbólica a medida que aumenta el número de conductores. Ver figura siguiente

Relación del factor de apantallamiento respecto al número de conductores bajantes del SPDA

EVALUACIÓN DEL RIESGO DE DAÑO DEBIDO A LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

El riesgo de daño o malfuncionamiento de un equipo sensitivo en una estructura puede ser expresado de la siguiente manera: R = (1 – e-NP)δ Donde: N= Número de impactos de descargas atmosféricas cercanos y directos que influencian al equipo en la estructura ; P= probabilidad de daño o malfuncionamiento del equipo en la estructura; δ = Coeficiente de las consecuencias económicas o sociales debido al daño o mal funcionamiento del equipo. NP indica el nivel de riesgo de daño del equipo. La probabilidad P; es el resultado de la distribución de los sobrevoltajes en los circuitos abiertos de las instalaciones en la estructura y de la distribución de su tensión de aguante (Ver anexo 3 para el cálculo de la probabilidad P).El mal funcionamiento de los equipos sensitivos se debe en parte a los efectos térmicos y mecánicos de la descarga atmosférica que están relacionados con el valor pico de la corriente, la carga y la energía. Los efectos dañinos causados por los voltajes inducidos están relacionados con el paso (di/dt) de la corriente de la descarga (S=kA/µ s)

DETERMINACIÓN DE LA NECESIDAD DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS A la hora de determinar si se requiere o no la instalación de un Sistema de Protección contra Descargas Atmosféricas se deben manejar los siguientes conceptos: (Nd) Frecuencia de impactos directos de descargas

atmosféricas a una estructura. Promedio de impactos directos de descargas atmosféricas a una estructura esperados durante un año. (Nc) Frecuencia de descargas atmosféricas aceptada:

Promedio anual máximo aceptado en un año de descargas atmosféricas que pudieran causar daño a una estructura. El valor de Nc debe ser establecido por

el dueño de la edificación o por el diseñador del SPDA.

Los valores de Nc se pueden estimar a través del análisis del riesgo de daño tomando en cuenta los siguientes factores: - Tipo de construcción.- Presencia de sustancias inflamables.- Medidas adoptadas para reducir los efectos de las descargas atmosféricas.- Tipo e importancia del servicio público relacionado a la edificación.- El valor de los bienes que podrían resultar afectados.

Para calcular Nd:

Nd = Ng x Ae x 10-6 por año ;

Donde:

Ng es la densidad anual de descargas atmosféricas a

tierra (por Km2 por año) concerniente a la región

donde la estructura está localizada;

Ae es el área equivalente de la estructura (en m2). El

área equivalente de la estructura se define como el

área de superficie de tierra con la misma frecuencia

anual de

descargas atmosféricas directas que la estructura

Para estructuras aisladas el área equivalente Ae es el área encerrada por el borde de la línea b1, la cual se obtiene de la intersección entre la superficie de tierra y una línea de pendiente 1:3 que pasa desde la parte superior de la estructura (tocándola) y rotando alrededor de ésta.Para topografías complejas la construcción se puede simplificar tomando en cuenta algunas partes características de la estructura reemplazando éstas por líneas rectas o secciones circulares. Los objetos adyacentes influencian de manera decisiva el área equivalente si su distancia respecto a la estructura es menor que 3(h + hs) donde h es la altura de la estructura bajo consideración y hs es la altura del objeto adyacente. En este caso es el área equivalente de la estructura y el objeto adyacente se superponen y el área equivalente se ve reducida a la distancia: Xs = (d + 3( h – hs )) / 2

Donde d es la distancia horizontal entre la estructura y

el objeto. Ver figura siguiente.

Área equivalente empleada en el cálculo de los factores que influyen en la determinación de la necesidad de un Sistema de Protección contra Descargas Atmosféricas. Ae = área equivalente; P = estructura protegida;S =objetos alrededor ; d = distancia horizontal entre la estructura y el objeto

Se debe comparar Nc con Nd; esta comparación

permite establecer si se requiere o no de un SPDA y de ser así, de qué nivel de protección:

- Si Nd < Nc, no se necesita un SPDA.

- Si Nd > Nc, se debe instalar un SPDA .

DETERMINACIÓN DE LOS NIVELES DE PROTECCIÓN DE UN SPDA

El nivel de protección es la capacidad que

tiene el SPDA de proteger la instalación donde

ha sido implementado contra los efectos de

las descargas atmosféricas; esto de acuerdo a

la magnitud de los parámetros de la descarga,

asociada a cada uno de estos niveles por la

norma IEC 61024-1 (Ver tabla I).

TABLA I. Valores de los parámetros de la descarga atmosférica a ser considerados de acuerdo al nivel

de protección seleccionado.

El propósito de seleccionar un nivel de protección, es

el de reducir, por debajo del máximo nivel tolerable,

el riesgo de daño debido al impacto directo de la

descarga atmosférica en

la estructura o en el volumen a ser protegido.

El nivel de protección de un Sistema de Protección

contra Descargas Atmosféricas se deriva de la

eficiencia que se requiera del mismo para proteger

debidamente al equipo o estructura en cuestión;

considerando que la eficiencia de acuerdo al nivel de

protección indica la garantía que ofrece el SPDA de

proteger la estructura en la que ha sido instalado. De

allí se tiene que la eficiencia del SPDA se determina

por:

E > 1 – Nc / Nd

El nivel de protección se obtiene de la tabla II.

TABLA II .Eficiencia del SPDA de acuerdo al Nivel de Protección seleccionado

DEFINICIÓN DE LAS ZONAS DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

El volumen a ser protegido debe dividirse en

zonas de protección contra descargas

atmosféricas (Lightning Protection Zones, LPZ). Las

diferentes zonas de protección están definidas por

apantallamiento de edificios, cuartos protegidos y

dispositivos que utilizan estructuras de metal

existentes. Las zonas se caracterizan por cambios de

las condiciones electromagnéticas de sus bordes.

Las LPZ se definen a continuación:a-. LPZ 0A : Zonas donde el equipo se ve sujeto a impactos directos de descargas atmosféricas y por consiguiente debe soportar toda la corriente proveniente des éstas. Se experimenta un campo electromagnético sin atenuación alguna.

b-. LPZ 0B : Zona donde el equipo no se ve sujeto al impacto directo de la descarga atmosférica, pero igualmente experimenta un campo magnético sin atenuación alguna.

c-. LPZ 1: Zona donde el equipo no se ve sujeto a los impactos directos de las descargas atmosféricas y donde por consiguiente las corrientes en todas las partes capaces de conducir dentro de esta zona, son atenuadas. En esta zona el campo magnético también podría atenuarse dependiendo de las medidas de apantallamiento (entre los que cabe mencionar “bonding”).

d-. ZONAS SUBSECUENTES (LPZ 2, LPZ 3...): Si se quiere una mayor reducción de las corrientes a ser conducidas o del campo magnético a ser experimentado, se deben introducir más zonas de protección. El requerimiento de esas zonas debe ser seleccionado de acuerdo a las zonas ambientales requeridas por el sistema a ser protegido.

De manera general, mientras más zonas se tengan,

menores las magnitudes de las corrientes a ser

conducidas e intensidades de los campos magnéticos a

los que se ven expuestos los equipos electrónicos

sensibles. Los límites entre las zonas LPZ 0A y LPZ 0B

se determinan por medio del método de las esferas

rodantes. El número y la calidad de las zonas internas

LPZ 1 y las siguientes se deben establecer de acuerdo

a la fuente de interferencia producida por la descarga

atmosférica la cual se corresponde con el nivel de

protección seleccionado y de acuerdo al nivel de

inmunidad de los dispositivos electrónicos o de los

sistemas hacia las interferencias producidas por las

descargas atmosféricas.

Concepto de las zonas de protección I, II, Dispositivos de protección

contra ondas S1 , S2 – Impulsos de corriente correspondientes donde S1 > S2

Ejemplo de determinación de las zonas de protección contra el rayo de un sistema a proteger

OTRAS DEFINICIONES ESTABLECEN TRES ZONAS:

• Zona C

• Zona B

• Zona A

• instalación exterior y acometida,

• circuitos que van del medidor de

energía al medio de desconexión

principal,

• cables del poste al medidor,

• líneas aéreas a edificios externos y

• líneas subterráneas para bombas.

La categoría C corresponde a las siguientes ubicaciones:

• alimentadores y circuitos derivados

cortos,

• tableros de distribución,

• barrajes y alimentadores en plantas

industriales

• tomacorrientes para aparatos grandes

con cableados cercanos a la acometida

• sistemas de iluminación en edificios

comerciales

La categoría B corresponde a las localidadessiguientes:

• tomacorrientes y circuitos derivados

largos,

• todos los tomacorrientes que estén a

más de 10 m de categoría B con hilos

#14 - #10,

• todos los tomacorrientes que estén a

más de 20 m de categoría C con hilos

#14 - #10.

La categoría A corresponde a las ubicaciones siguientes:

Esta clasificación es el resultado de un compromiso entre dos extremos:

a)proteger en forma sobrada sin importar la inversión inicial y

b)no proteger evitando así la inversión inicial. Entre estos extremos ,el estándar recomienda que

los protectores de categoría C deben ser capaces de tolerar mayores corrientes que los de categoría A y B, mientras que el B debe soportar mayores corrientes que los de categoría A. Es por esto que, en general, los de categoría C son más robustos y más costosos. La clasificación también sugiere que los de categoría A tengan un voltaje de sujeción menor, de esta manera los de clase B y C se encargan de manejar altas energías y los de categoría A se encargan de restringir las excursiones del sobrevoltaje transitorio pare evitar disturbios en la operación del equipo sensible.

SISTEMA EXTERIOR DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Se denomina “protección exterior contra descargas atmosféricas” a la totalidad de dispositivos e instalaciones en el exterior, encima y adosados a la estructura que se ha de proteger, para captar y derivar la corriente de la descarga atmosférica a la instalación de puesta a tierra.

Lo que a continuación se presenta contiene la descripción de los tipos de SPDA de acuerdo a la forma cómo las partes metálicas de la edificación, hayan sido o no construidas con la intención de ser consideradas como parte integral de este sistema de protección. Posterior a esto se estudian los componentes de un Sistema Exterior de Protección contra Descargas Atmosféricas (SEPDA)

TIPOS DE SISTEMAS EXTERIORES DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (SEPDA) a-. SEPDA NATURAL: Donde las partes metálicas de la estructura son consideradas como parte “natural” del SPDA (mallas metálicas cubriendo el espacio a ser protegido, tuberías suficientemente gruesas) las cuales fueron construidas por otra razón distinta a la de protección eléctrica. b-. SEPDA ARTIFICIAL: Donde los elementos de metal son empleados únicamente con propósitos de protección contra descargas atmosféricas.

c-. SEPDA COMBINADO: Donde los elementos del SPDA artificial son adicionales al SPDA natural.

COMPONENTES DEL SISTEMA EXTERIOR DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

El SPDA está constituido por tres componentes

principales:

* Sistema de Terminación de Aire (Sistema de

atracción).

* Sistema de Conductores Bajantes ( Sistema

de conducción).

* Sistema de Terminación de Tierra (Sistema

de dispersión segura)

SISTEMA DE TERMINACI ÓN DE AIRE

Se denomina Sistema de Terminación de Aire a la totalidad de los

elementos o piezas metálicos, situados encima, al lado,

lateralmente,

o cerca de la instalación que se trata de proteger, y que sirven

como puntos para la descarga de la descarga atmosférica. Entre

éstos se tienen: conductores, barras metálicas, mástiles, etc.

Para diseñar estos sistemas se pueden utilizar los siguientes

métodos:

* Angulo Protector.

* Esfera Rodante.

* Método de mallas.

La selección del tipo del SPDA a ser instalado depende de una

evaluación práctica donde se determine la vulnerabilidad de los

equipos conectados a la edificación ante los efectos

electromagnéticos asociados a las descargas atmosféricas.

Ángulo protector

El ángulo protector a debe respetar los lineamientos de la

Tabla 1 de la norma IEC 61024-1 (Ver Tabla III) donde h es la

altura del Sistema de Terminación de Aire con respecto a la

superficie a ser protegida.

TABLA III. Parámetros de acuerdo a los Niveles de Protección seleccionados para el SPDA.

Método de la esfera rodante

El método de la esfera rodante debe utilizarse para

identificar el espacio protegido (edificación o parte de

ésta considerada como protegida por el SPDA contra

los efectos electromagnéticos asociados a las

descargas atmosféricas) de la estructura cuando la

Tabla 1 de la norma IEC 61024-1 (Ver Tabla III)

excluye la utilización del método del ángulo protector.

El radio de la esfera se escoge de acuerdo al nivel de

protección seleccionado para el SPDA y se observa en

la Tabla 1 de la norma IEC 61024-1 (Ver Tabla III).

Aplicación del método de la esfera rodante

Principio de modelo electrogeométrico utilizado para definir la zona protegida por un pararrayos de punta

tipo Franklin

Método de mallas

Se considera que para la protección de superficies planas se puede utilizar una malla si se satisfacen las siguientes condiciones: a) Los conductores del Sistema de Terminación de Aire se localizan sobre las líneas de los bordes de los techos o azoteas de las edificaciones. b) Las superficies laterales de la edificación están equipadas con Sistemas de Terminación de Aire para niveles por encima del valor del radio de la esfera rodante correspondiente (Ver Tabla III).

c) Las dimensiones de la cuadrícula de la red de Terminación de Aire no son mayores que las estipuladas por la Tabla 1 de la norma IEC 61024-1. Ver Tabla III.

d) La red del Sistema de Terminación de Aire se instala de forma tal que se garantice que la corriente proveniente de la descarga atmosférica siempre encontrará por lo menos dos rutas de metal distintas hacia la tierra del Sistema de Terminación de Tierra y se tiene especial cuidado en no excluir partes de metal pertenecientes a la edificación y que deben ser incluidas dentro del volumen protegido.

Aplicación del método de mallas

Todo el espacio de la edificación situado por debajo de esta red, puede considerarse como protegido, sin embargo, para edificaciones cuya altura supera los 30 metros, se deben proteger las paredes laterales con elementos de atracción (conductores) dispuestos horizontalmente para prevenir las descargas laterales (a partir de los 30 metros de altura, hay que instalar estos elementos cada 20 metros). Ver figura siguiente.

30 m

20 m

20 m

Malla max. 10 x 20 m

Conductores dispuestos horizontalmente en edificios de más de 30 metros de altura

SISTEMA DE CONDUCTORES BAJANTES

Sistema cuya función es conducir la corriente de la descarga atmosférica desde el Sistema de Terminación de Aire al Sistema de Terminación de Tierra; y que está formado por conductores y elementos de metal que aseguren un camino para la corriente.

La selección del número y posición de los conductores bajantes debe tomar en cuenta el hecho que, si la corriente proveniente de la descarga atmosférica se divide entre varios conductores bajantes, se pueden reducir los riesgos de descargas laterales entre éstos así como también las perturbaciones electromagnéticas en el interior de la estructura protegida. En este sentido, los conductores deben colocarse de forma uniforme alrededor del perímetro de la edificación y con una configuración simétrica asegurando una continuación directa de los conductores del Sistema de Terminación de Aire.

Es importante destacar que los conductores bajantes deben: - Tener los calibres estipulados por la Tabla 5 de la norma IEC 61024-1 [5]. Ver Tabla siguiente.

Calibre de los conductores bajantes de acuerdo a la norma IEC 61024-1

Ademas estos conductores deben:

- Ser tan cortos como sea posible (para mantener los valores de inductancia bajos). - La distancia promedio entre conductores respeta los valores establecidos por la Tabla 3 de la norma IEC 61024-1 . Ver Tabla siguiente .

Para los SPDA aislados (SPDA cuyo Sistema de Terminación de Aire y Sistema de conductores Bajantes se instalan de forma tal que la trayectoria para la corriente proveniente de la descarga atmosférica no está en contacto con el espacio a ser protegido) el número de conductores bajantes utilizados depende del Sistema de Terminación de Aire seleccionado: a) Si el Sistema de Terminación de Aire está formado por barras colocadas en mástiles separados, se requiere por lo menos un conductor bajante para cada mástil. Para los SPDA no aislados (la trayectoria para la corriente proveniente de la descarga atmosférica está en contacto con el espacio protegido) aplica el mismo criterio. b) Si el Sistema de Terminación de Aire forma una red de conductores, se requiere por lo menos un conductor bajante para cada una de las estructuras de soporte. Para los SPDA no aislados se requiere de por lo menos dos conductores bajantes.

SISTEMA DE TERMINACIÓN DE TIERRA

La función de este sistema es dispersar en la tierra la corriente proveniente de la descarga atmosférica sin provocar sobrevoltajes peligrosos. Para efectos de las descargas atmosféricas es más importante la forma y las dimensiones del sistema de tierra que los valores específicos de las resistencias de los electrodos; sin embargo, se recomienda un valor de resistencia pequeño para los electrodos ya que el valor de la resistencia del Sistema de Terminación de Tierra para eventos transitorios (tal como es el caso de las descargas atmosféricas) depende de la configuración geométrica del sistema y de la resistencia de dichos electrodos. Los estándares internacionales recomiendan un rango de valores para la resistencia del Sistema de Terminación de Tierra alrededor de los 5 para instalaciones de telecomunicaciones (se recomienda utilizar una configuración geométrica para este sistema en vez de un solo conductor)

SISTEMA INTERIOR DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS La protección interior contra descargas atmosféricas es el conjunto de medidas adoptadas contra las repercusiones de la corriente de las descargas y de sus campos eléctricos y magnéticos sobre las instalaciones y equipos eléctricos, dentro de un edificio. Los aspectos más importantes a la hora de diseñar un Sistema Interior de Protección contra Descargas atmosféricas (SIPDA) enfocados desde el punto de vista de la EMC están relacionados con:

1-.) Puesta a Tierra.

2-.) “Bonding”.

3-.) Mitigación de Interferencia.

4-.) Medidas de protección influenciadas por el Sistema de Protección contra Descargas .

Aspectos éstos que a su vez deben ser enfocados desde tres puntos de vista esenciales:

a-.) Protección contra los Impulsos Electromagnéticos generados por las Descargas Atmosféricas; con lo que se pretende abarcar los procedimientos implementados por la normativa internacional para proteger las edificaciones contra los efectos electromagnéticos asociados a las descargas atmosféricas. b-.) Compatibilidad Electromagnética; que busca establecer las medidas que deben implementarse para lograr que los equipos electrónicos instalados dentro de la edificación no se vean afectados por las variaciones de voltaje producidas por las descargas atmosféricas.c-.) Puesta a Tierra de equipos electrónicos sensibles; que indica los procedimientos a seguir para la correcta conexión de los equipos electrónicos a tierra, esto con el fin de reducir las perturbaciones a las que podrían verse expuestos como consecuencia de los efectos electromagnéticos asociados a las descargas atmosféricas.

PUESTA A TIERRA Utilizando estructuras de puesta a tierra, se crean regiones protegidas donde los equipos electrónicos sensitivos pueden operar sin ningún tipo de problemas. En este sentido, el conductor externo de un cable coaxial es una Estructura de Puesta a Tierra (EPT) simple y un “gabinete EMC” (a ser desarrollado en el punto 5.3-.) es una parte esencial de la EPT para la protección de equipos sensitivos.

La puesta a tierra provee un a serie de caminos interconectados para “reducir las diferencias de voltaje entre puntos críticos a valores seguros”.

Con la puesta a tierra de un sistema se busca lograr los siguientes objetivos:

- Las interferencias debido a las diferencias de voltaje a través de entradas sensitivas o a través de otros terminales críticos de nuestro circuito, deben mantenerse en valores bajos para que el correcto funcionamiento del circuito no se vea afectado y además evitar que por diferencias de tensión y errores de conexión existan corrientes vagabundas en la instalación.

- Garantizar la seguridad de las personas.

PROTECCIÓN CONTRA IMPULSOS ELECTROMAGNÉTICOS GENERADOS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Si existen edificaciones adyacentes entre el paso de cables de potencia y comunicaciones, los sistemas de puesta a tierra deben ser interconectados, y es beneficioso dejar varios caminos paralelos para reducir las corrientes en los cables.Los sistemas de puesta a tierra que cumplen con estos requisitos son:

i) El sistema de terminación a tierra (en contacto con el suelo),

y

ii) La red de “bonding” (que no está en contacto con el suelo)

Ejemplo de un sistema de puesta a tierra con combinación de la red de “bonding” y el sistema de

terminación de tierra

COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA

Los problemas de la EMC

• ¿No se ha preguntado por qué se exige apagar los

teléfonos celulares y los juegos electrónicos en los

aviones y en hospitales?

• ¿Por qué en su TV se aprecian interferencias ante la

cercanía de un motor ruidoso, una batidora o una

secadora de pelo?

• ¿Por qué no se puede escuchar una emisora en su

radio portátil, en la cercanía de una

microcomputadora?

Estos son problemas de Compatibilidad

Electromagnética : EMC


¿Que es la EMC?

Compatibilidad electromagnética: Capacidad

de un equipo o de un sistema para funcionar

en su ambiente electromagnético de forma

satisfactoria y sin que produzca perturbaciones

electromagnéticas intolerables para todo lo

que se encuentra en este ambiente.


¿Que es la EMC?







Conjunto de fenómenos electromagnéticos que existen en un entorno dado.


¿Que es la EMC?







Fenómeno electromagnético que puede degradar el funcionamiento de un dispositivo, equipo o sistema, o afectar desfavorablemente la materia viva o la inerte.

CONDICIONES PARA LA EMC

• Los equipos deben limitar las perturbaciones que crean en su entorno electromagnético: límites de emisión



No deben perturbar a otros equipos, servicios de radio, redes de potencia u otras redes



Fenómeno en virtud del cual la energía electromagnética emana desde una fuente



• Los equipos deben tener un nivel adecuado de inmunidad en el entorno eletromagnético donde operan: límites de inmunidad



• Los equipos deben tener un nivel adecuado de inmunidad en el entorno eletromagnético donde operan: límites de inmunidadDeben ser inmunes a radio

transmisiones, perturbaciones en las líneas de potencia u otras, campos electrostáticos u otros fenómenos



• Los equipos deben tener un nivel adecuado de inmunidad en el entorno eletromagnético donde operan: límites de inmunidad

Capacidad de un dispositivo, equipo o sistema de funcionar sin degradación en presencia de una perturbación


La Compatibilidad Electromagnética enfocada desde el

punto de vista de la protección contra descargas

atmosféricas de equipos electrónicos sensibles busca

reducir las variaciones de voltaje que se producen como

consecuencia de los efectos electromagnéticos

asociados a las descargas atmosféricas, es por esta

razón que la tarea del sistema de puesta a tierra vista

desde este enfoque es servir como referencia de voltaje

común y contribuir a la mitigación de las perturbaciones

en las instalaciones con sistemas de equipos eléctricos y

electrónicos sensitivos e interconectados.

Se aplican las siguientes consideraciones a la hora de diseñar el sistema de puesta a tierra: - La seguridad del personal y contra descargas atmosféricas dictan el diseño del electrodo de puesta a tierra. La geometría de este electrodo se debe adaptar a la importancia de la instalación. Se utilizan electrodos simples (jabalinas) en el caso de instalaciones pequeñas, pero para edificios o plantas, la mejor solución para el electrodo es una red enterrada por debajo y alrededor de la estructura.

- La protección y seguridad de la instalación dictan el tamaño de los conductores de puesta a tierra ya que éstos deben dimensionarse de acuerdo al nivel de protección seleccionado para el SPDA tal y como se mencionó anteriormente.

- Los requerimientos en cuanto al comportamiento de compatibilidad electromagnética determinan el arreglo de la red de puesta a tierra, puesto que la red de puesta a tierra es generalmente diseñada e implementada por el constructor de la instalación para que tenga una impedancia tan baja como sea posible con el fin de drenar las corrientes de falla así como también las corrientes de alta frecuencia sin que éstas circulen a través de los equipos o sistemas electrónicos.

Algunos puntos prácticos son importantes porque los mismos influencian la calidad a largo término del electrodo. -Se utilizan preferiblemente conductores sólidos puestos que los mismos se ven menos sujetos a la corrosión que los conductores trenzados. - Las conexiones entre los conductores son soldadas (soldadura exotérmica, por citar un ejemplo) y no implementadas por medio de apernamiento mecánico. - No se recomienda el uso de electrodos de puesta a tierra independientes “aislados” para computadoras o sistemas electrónicos. - El calibre de los conductores se selecciona de acuerdo a lo estipulado en la Tabla 5 de la norma IEC 61024-1 (Ver Tabla siguiente).

Calibre de los conductores de puesta a tierra de acuerdo al nivel de Protección seleccionado

Como se mencionó anteriormente, para las

instalaciones con varios pisos , cada piso debe tener

su propia red de puesta a tierra (generalmente

implementada como una malla, Ver

anterior), y todas estas redes deben ser conectadas

una a la otra y al electrodo de puesta a tierra.

Se requiere un mínimo de dos conexiones (se debe

caer en redundancia) para estar seguros, en caso de

ruptura de uno de los conductores. Se utilizan más de

dos conexiones para obtener una mejor simetría para

la circulación de las corrientes, para minimizar las

diferencias de voltaje y

para disminuir la impedancia global entre los niveles

de los pisos. Estos caminos múltiples y paralelos

tienen diferentes frecuencias de resonancia.

PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS SENSIBLES Los sistemas de puesta a tierra diseñados para

instalaciones que contienen equipos electrónicos

sensitivos se pueden enfocar de forma tal que se

obtengan tres subsistemas funcionales. Estos son:

- Subsistema de electrodos de tierra.

- Subsistema de protección contra fallas.

- Subsistema de señales.

El subsistema de electrodos de tierra establece

la referencia a tierra para descargas

atmosféricas, fuego eléctrico y propósitos de

peligro de shok de la instalación (propósitos de

seguridad únicamente). Los procesos de

transporte de señales y los procesos de señales

internos del equipo no se ven beneficiados por

este sistema.

El subsistema de protección contra fallas es

conocido dentro del CEN como “el sistema de

puesta a tierra del equipo”. Su principal

propósito es la seguridad y puede ser de punto

simple, puntos múltiples, radial o híbrido de

alguna forma. La configuración del subsistema

para protección de personal y contra fallas se

muestra esquemáticamente en la figura

siguiente

Subsistema de Puesta a tierra para protección de personal y contra fallas

Ambos, los sistemas de puesta a tierra de punto

simple y los sistemas de múltiples puntos que

emplean conductores largos a tierra, exhiben

impedancias más altas a medida que aumenta la

frecuencia. Por lo tanto, los sistemas de referencia de

señales requieren de la presencia de

estructuras que logren obtener los beneficios de un

plano equipotencial de tierra a lo largo del rango de

frecuencias de interés (generalmente desde d.c hasta

decenas de megahertz) como se observa en la figura

siguiente.

Sub-sistema combinado de seguridad y referencia de señales

BONDING

PROTECCIÓN CONTRA IMPULSOS ELECTROMAGNÉTICOS GENERADOS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS El propósito del “bonding” es el reducir las diferencias de

potencial entre las partes de metal y sistemas dentro del volumen

a ser protegido contra los efectos causados por Las descargas

atmosféricas.

El “bonding” (interconexión) debe ser provisto e instalado en los

bordes de las Zonas de Protección contra Descargas Atmosféricas

(Lightning Protection Zones, LPZ) para las partes de metal y

sistemas que crucen dichos bordes, así como también las partes

de metal y conductores dentro de una LPZ. La interconexión en

las barras de “bonding” (barras de equipotencialización) se debe

realizar a través de conductores y donde fuera necesario, a través

de dispositivos de protección contra sobrevoltajes (Surge

Protective Devices, SPD)

Las tablas que a continuación se observan (Tablas siguientes), indican las dimensiones mínimas que deben poseer los conductores empleados para “bonding” de acuerdo a lo estipulado por la norma IEC 61024-1

Calibres mínimos para los conductores de “bonding” por los que circula o no circula una parte significativa

de la corriente de la descarga atmosférica respectivamente.

Métodos básicos de interconexión para sistemas de información

Combinación de los métodos de “bonding” para los sistemas de información

COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA Los aparatos o sistemas se conectan al conductor de la red de puesta a tierra más cercano, (un punto que se debe tener en cuenta a la hora de diseñar el arreglo de la instalación).

La impedancia de contacto (Zc) debe ser lo más baja posible. Esta impedancia envuelve no sólo la red de puesta a tierra, sino también el aparato o sistema a ser conectado y la forma de implementación de la interconexión. El método empleado para la interconexión tiene una influencia directa en el valor de la Zc y en la estabilidad de este valor en el tiempo (corrosión). En este sentido, las conexiones soldadas son las más efectivas; sin embargo, si este método no se encuentra al alcance , la norma IEC 61000 ofrece una serie de métodos igualmente efectivos (conexiones atornilladas o mediante pernos, por citar algunos).

Si se utilizan cables apantallados para la interconexión de equipos específicos, la pantalla de los cables se interconecta a la red de puesta a tierra en una o en dos de sus extremidades dependiendo de las señales a ser transmitidas y las posibles fuentes de interferencia. Pero en todos los casos la mejor solución para la interconexión es tener una conexión de 360º alrededor de la pantalla.(Ver figura siguiente).

Conexión de la pantalla de los cables que llegan a un equipo

En el caso de interferencia entre los diferentes equipos que forman el sistema de información, se pueden interconectar los chasis con cintas de metal y colocar la ruta de los cables de señales junto a estas cintas, como se representa esquemáticamente en la figura siguiente

Esquema de los chasis interconectados con cables de señales

EQUIPOS ELECTRÓNICOS SENSIBLES Para los equipos electrónicos sensibles, el apantallamiento consiste y está formado por esquemas tales como barreras conductoras contra altas frecuencias que se encuentran puestas a tierra, recintos de metal, conduits de metal y recubrimientos para los cables alrededor de los circuitos sensitivos. El objetivo del blindaje electromagnético es la minimización del acoplamiento del flujo magnético (inductancia mutua) desde una fuente (potencia) hasta el circuito sensitivo (por ejemplo, circuitos de control). Las generalizaciones que a continuación se mencionan también resultan pertinentes:

1) Minimizar la inductancia mutua mediante la separación física de la fuente y del circuito sensitivo. Una medida igualmente efectiva, está representada por la colocación de los cables de señales apantallados en ductos de metal.

2)Minimizar el área del circuito sensitivo para reducir el número de líneas de flujo interceptadas desde la fuente.

3) Utilizar pares de cables entrelazados en los circuitos sensitivos para aprovechar el hecho que la mitad de las líneas de flujo magnético se acoplan en un sentido y el resto de éstas lo hacen en el sentido contrario, lo cual resulta en un acoplamiento de flujos pequeños.

4) Acercar el espaciamiento entre los conductores de la fuente (circuito de potencia) de forma tal que éstos parezcan un solo conductor con corrientes iguales y en sentidos opuestos, lo que produce un campo magnético mínimo.

MITIGACIÓN DE INTERFERENCIA


Métodos Generales En adición a las medidas preventivas de una puesta a tierra apropiada, “bonding” y ruta de cableado; los métodos adicionales de mitigación de interferencia incluyen la utilización de filtros, blindaje e instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones.

De igual forma los métodos mencionados a continuación cumplen el mismo propósito:

- Separación eléctrica.

- Transformadores de aislamiento.

- Fibra óptica (libre de partes metálicas).

- Optoacopladores. - Gabinetes EMC (por ser esta la medida más efectiva de todas las anteriormente mencionadas, este tipo de gabinete se explica con detalla a continuación).

Gabinetes EMC

El gabinete EMC se presenta aquí como la máxima protección que puede ser obtenida mediante la reducción de la impedancia de transferencia y la reconducción de las corrientes MC (corrientes circulantes debido a la diferencias de voltaje entre los conductores y una referencia especifica, generalmente tierra). (Ver figura siguiente).

Todos los cables, de señales y de potencia, entran al gabinete por medio del plano trasero.

La pantalla o los conductores externos de los cables de señales son circunferencialmente conectados a dicho plano. La potencia a.c. entra al gabinete por medio de un filtro (F) (conectado al plano trasero) también se conecta una tierra de seguridad cerca del filtro (esto con el fin de mitigar el ruido proveniente del sistema de potencia a.c).

Todas las corrientes que lleguen al gabinete a través de los cables y la tierra de seguridad circulan a través del panel trasero, esto resulta en una impedancia de transferencia bastante pequeña entre las corrientes fuera del gabinete y los instrumentos electrónicos colocados dentro.

Resulta que en muchas aplicaciones esta Zt pequeña es mucho más importante que el posible blindaje provisto por el gabinete, aún si es cerrado por medio de una Jaula de Faraday.

PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS SENSIBLES

Acceso a la subestructura de piso falso utilizado como Malla de Referencia de Señales

Malla de referencia de señales fabricada con listones de cobre

MEDIDAS INFLUENCIADAS POR EL SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Medidas influenciadas por el SPDA exterior de la estructura:

Se puede mejorar el sistema de protección contra descargas atmosféricas si:

a)Se reduce el espacio entre los conductores bajantes , y se reduce el tamaño de las retículas del sistema de terminación de aire. Valores razonables son: distancias entre los conductores bajantes y tamaño de las retículas 1 m hasta 5 m;

b)Se instalan conductores planos flexibles para interconexión a través de las junturas de expansión entre los bloques adyacentes pero estructuralmente separados. La distancia entre los conductores debe ser igual a la mitad de la distancia entre los conductores bajantes;

c) A través de las junturas de expansión entre una

estructura y un corredor largo, se provee una ruta

de cableado que interconecte un bloque de la

estructura con otro.

Típicamente, la interconexión debe realizarse en

cada una de las esquinas del corredor , y los

conductores deben ser tan cortos como sea posible;

d)Elementos metálicos instalados en el techo que

necesiten protección contra impactos directos de

descargas atmosféricas (LPZ 0B) se proveen con

una terminación de aire local que es interconectada

al Sistema de Protección contra Descargas

Atmosféricas.

Medidas de protección influenciadas por la instalación de potencia eléctrica y las interconexiones entre el equipo de información tecnológica: El principio de sistema TN-S debe ser aplicado para la instalación eléctrica de potencia dentro del edificio. Si esto no es posible, se deben aplicar las medidas descritas en la cláusula anterior. El esquema de potencia se observa en la figura.

Sistema TN-S: Conductor Neutro (N) y conductor de protección (PE) separados a lo largo de toda la instalación eléctrica

Dispositivos de Protección contra Sobretensiones

Los supresores de sobretensiones deben ser instalados

tan cerca como sea posible a la entrada de los cables

hacia el volumen a ser protegido y sobre todos los

conductores activos para prevenir que la sobretensión

principal penetre en las instalaciones de la estructura

(borde de la LPZ 0/1). Dentro del edificio, la aplicación

descontrolada de los dispositivos pudiera provocar al

mal funcionamiento o daño del sistema, especialmente

cuando los supresores de sobrevoltajes o los SPD

internos de los equipos interfieren en el correcto

funcionamiento de los supresores en la entrada de la

instalación.

Limitador de sobretensión para red telefónica(Merlin Gerin: limitador PRC).

Limitador de sobretensión de linea.

Medidas de protección para interconexiones de datos / telefonía / instrumentación entre estructuras • Cables de fibra óptica entre estructuras: Se pueden

utilizar cables de fibra óptica totalmente aislados entre

estructuras sin tener que tomar en cuenta mayores medidas de

protección. Este es el método preferido para las interconexiones

de datos y completa libertad en lo que a interferencia

electromagnética se refiere.

• Cables de conducción entre estructuras: Cables de cobre o

de cualquier otro material conductor entre estructuras, sin

interconexiones al SPDA respectivo: Se requieren SPD en cada

uno de los extremos de los cables, aunque, donde sea posible,

la solución recomendada viene representada por la provisión de

un “bonding” entre los sistemas de

protección contra descargas atmosféricas de las dos estructuras

y ubicación de los cables cerca de un ducto metálico.

Medidas de protección para interconexiones de datos / telefonía / instrumentación entre estructuras

• Cables de cobre o cualquier otro tipo de material

conductor entre estructuras con SPDA interconectado,

formando una LPZ 1: Dependiendo del número de cables que

pasen entre las estructuras, la protección puede estar

representada por un ducto de unión para varios cables, o donde

se tenga una gran cantidad de cables, como por ejemplo los

casos de plantas de procesos químicos, el apantallamiento de los

cables de instrumentación ( si son interconectados al sistema de

puesta a tierra en cada extremo) será generalmente suficiente,

especialmente si la corriente se reparte entre los mismos.

DETERMINACIÓN DE LA INTERFERENCIA EN EL INTERIOR DE LAS ZONAS DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS PROTECCIÓN CONTRA LOS IMPULSOS GENERADOS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Apantallamientos Espaciales tipo Malla (Apantallamiento de Estructuras): Los blindajes de grandes volúmenes para estructuras o cuartos son construidos con componentes naturales como soportes de metal, marcos de metal o refuerzos metálicos. Estos componentes constituyen un blindaje espacial de gran volumen. Los elementos conductores que penetran el blindaje serán interconectados al blindaje lo más próximo posible. (La figura siguiente muestra como los refuerzos de metal en el concreto y los marcos de metal , para puertas y ventanas, se interconectan para construir un blindaje de gran volumen).

Blindaje para un gran volumen construido mediante refuerzos de metal

Apantallamientos espaciales tipo malla para el caso de descargas que no impactan directamente la estructura

El campo magnético incidente H0 de la LPZ 0 deberá ser calculado como:

Donde:

Io es la corriente de la descarga atmosférica en

amperios.

Sa es la distancia promedio en metros entre el punto

de impacto y el volumen blindado considerado (Ver

figura siguiente)

Campo magnético incidente

LPZ 0

Campo magnético dentro del volumen apantallado

Pantalla del volumen

Impacto cercano de la descarga atmosférica

SaH1

LPZ 1

Situación en el caso de un impacto cercano de descarga atmosférica

De aquí se obtiene:

- Para el máximo valor del campo magnético causado por la primera descarga:

-Y para el máximo valor del campo magnético causado por las descargas subsecuentes:

Donde If/máx es el máximo valor de la corriente de la primera descarga, escogida de acuerdo al nivel de protección en amperios.

Is / máx es el máximo valor de la corriente de las descargas subsecuentes, escogida de acuerdo al nivel de protección, en amperios.

Parámetros de la corriente de descarga atmosférica de la primera descarga

Parámetros de la corriente de descarga atmosférica de las descargas subsecuentes

La reducción de Ho a H1 (campo magnético) dentro de la LPZ 1 puede derivarse de la fórmula para los valores de Factor de Apantallamiento (Shielding Factor, SF) dados en la tabla siguiente, aunque la tabla siguiente es normalmente válida para un campo plano. Los valores tomados de la fórmula de la tabla siguiente son válidos para un volumen de seguridad Vs dentro de la LPZ 1 con una distancia de seguridad Ds/1 desde el blindaje (Ver figura siguiente):

Donde SF es el factor de apantallamiento evaluado de la fórmula de la tabla siguiente en decibeles.

w es el ancho de la cuadricula de la malla del blindaje espacial, en metros.

Atenuación magnética de los blindajes espaciales en caso de una onda plana causada por un impacto cercano de

descarga atmosférica

Del valor de SF el campo magnético dentro de la LPZ 1, H1, puede ser calculado:

Donde SF es el factor de apantallamiento evaluado de la tabla anteriorHo es el campo magnético de la LPZ 0, en amperios por metro, idéntico a H0/f/máx , H0/s/máx respectivamente.

Volumen para el equipo de información dentro de la LPZ 1 o LPZ n

Nota: El volumen Vs para la posición del equipo de información mantiene una distancia de seguridad ds/1 o ds/2 desde la LPZ 1 o el blindaje de la LPZ n.

Ejemplo:

Datos:

• Corriente de descarga atmosférica (Io)= 30 kA.

• Forma de onda 1,2 / 50 µs para el voltaje y 8 / 20 µs para la corriente.

• Nivel de protección seleccionado = 1.

• Ancho de la cuadrícula de la malla de apantallamiento = 1m.

• Dimensión de las habitaciones dentro de la estructura = 2 x 3 metros.

• Distancia de impacto respecto a la estructura = 10 metros.

De la aplicación de las ecuaciones anteriores se obtienen los siguientes resultados:

= 477,4648 A/m

= 3183,098 A/m

(para la primera descarga)

= 795,7747 A/m

(para las descargas subsecuentes) SF = 18.58 dB.

= 1.858 metros

= 56,2265 A/m

H1/f/máx = 374,8435 A/m (para la primera descarga)

H1/s/máx = 93,7109 A/m (para las descargas

subsecuentes). De los resultados obtenidos se aprecia la importancia que tiene el ancho de la cuadrícula del apantallamiento construido tanto en la determinación del factor de apantallamiento como para la distancia de seguridad que se debe guardar entre el volumen a ser protegido y el apantallamiento. Debido a que el factor de apantallamiento depende del ancho de la retícula de forma logarítmica, a medida que este ancho aumenta, menor es el factor de apantallamiento, lo que resulta bastante lógico, pues mientras mayor sea el ancho de esa cuadrícula , menor el blindaje que se obtiene.

De igual forma, mientras mayor sea el ancho de la

cuadrícula, mayor la distancia que se debe mantener

entre el volumen a ser protegido y el apantallamiento

ya que al aumentar el ancho de la cuadrícula del

apantallamiento, la atenuación de los campos

magnéticos resulta menor, es por esta razón que la

norma IEC 61312-2 recomienda soldar las partes

metálicas de la estructura cada metro, logrando de

esta forma un factor de apantallamiento elevado que

se

traduce en una atenuación considerable de los efectos

electromagnéticos asociados a las descargas

atmosféricas

Apantallamientos espaciales tipo malla para el

caso de impactos directos de descargas

atmosféricas

La descarga puede impactar a la estructura en un

punto arbitrario del techo.

Para la intensidad del campo magnético H1 en un punto

arbitrario dentro del volumen Vs de la LPZ 1, causada

por la primera descarga, se aplica la siguiente fórmula:

De aquí se deriva que para la fuerza del campo magnético en un punto arbitrario dentro del volumen Vs de la LPZ 1, causada por la primera descarga:

Y para el campo magnético en un punto arbitrario dentro de la LPZ 1, causado por las descargas subsecuentes:

Donde: Dr es la distancia más corta , en metros, entre el punto considerado y el techo del apantallamiento de la LPZ 1.

Dw es la distancia más corta, en metros, entre el punto considerado y el muro del apantallamiento de la LPZ 1.

If/máx es el máximo valor de la corriente de la primera descarga , en amperios, escogida de acuerdo al nivel de protección.

Ismáx es el máximo valor de la corriente de las descargas subsecuentes, en amperios, escogida de acuerdo al nivel de protección.

KH es el factor de configuración (1/(m)1/2). KH=0.01(1/(m)1/2)

w es el ancho de la malla, en metros, del apantallamiento de la LPZ 1.

Los valores del campo magnético son válidos para

volúmenes Vs dentro del apantallamiento espacial

definido por una distancia de seguridad Ds/2 (Ver

figura)

Siguiendo con el ejemplo anterior, en el caso de

impactos directos de descargas atmosféricas sobre la

estructura, los resultados obtenidos son los siguientes:

=1000 A/m (para

la

primera descarga)

=250 A/m (para

descargas subsecuentes)

= 1metro

De forma más acentuada, en el caso de impactos

directos de descargas atmosféricas sobre la

edificación a ser protegida se observa el papel que

juega el ancho de la cuadrícula del

apantallamiento para la determinación de la

intensidad de los campos magnéticos, mientras

mayor sea el ancho de esta cuadrícula, menor será la

protección (blindaje) que ésta ofrece y de allí que la

intensidad del campo magnético sea mayor. Es

importante destacar que el punto de impacto de la

descarga atmosférica sobre la edificación también

debe ser tomado en cuenta, pues mientras más

pequeñas sean las distancias entre el punto de

impacto considerado y el techo o la pared del

apantallameitno, mayor será la intensidad del campo

magnético en el interior de la LPZ1.

Apantallamientos espaciales tipo malla que

rodean a las LPZ > 2 En los blindajes que rodean a la LPZ 2 y siguientes LPZ no circularán corrientes parciales de la descarga atmosférica. De allí que el primer acercamiento en la reducción de Hn dentro de la LPZn a Hn+1 dentro de la LPZn+1 pueda ser evaluado de la fórmula para los valores de SF obtenidos mediante la aplicación de las fórmulas de la tabla vista anteriormente aunque la tabla es válida para un campo plano (n>1).

Los valores tomados de la fórmula de la tabla son válidos para volúmenes dentro de la LPZn+1 con una distancia de seguridad Ds/1 desde el blindaje:

Donde SF es el factor de apantallamiento evaluado de la fórmula de la tabla en decibeles.

w es el ancho de la malla del blindaje espacial en metros.

El valor de la atenuación del campo magnético Hn+1 dentro de la LPZn+1 puede ser calculado utilizando los valores tomados de la tabla

Donde SF es el factor de apantallamiento evaluado de la fórmula de la tabla en decibeles

Hn es el campo magnético dentro de la LPZn en amperios por metro.

Evaluación del campo magnético, voltajes y corrientes dentro del espacio rodeado por los apantallamientos Situación en el interior de la LPZ 1 en el caso de impactos de descargas atmosféricas que no impactan directamente la edificación El campo magnético H1 dentro del volumen Vs de la LPZ 1 se asume homogéneo. Durante el tiempo de frente de la onda T1 el máximo valor de Uoc, Uoc/máx, alcanza:

Donde:µo es igual a 4. . 10 –7 [V.s/(A.m)] b es el ancho del lazo (m)H1 es el campo magnético dependiente del tiempo dentro de la LPZ1 (A/m)H1/máx es el valor máximo del campo magnético dentro de la LPZ1 (A/m)l es la longitud del lazo (m)T1 es el tiempo de frente del campo magnético, idéntico al tiempo de frente de la corriente de la primera descarga de la descarga atmosférica (s)

Para la corriente Isc , si la resistencia óhmica de los cables es despreciada (peor caso) lo siguiente aplica:

El máximo valor de Isc , Isc/máx viene dado por:

Donde L es la inductancia propia del lazo (H).

Para lazos rectangulares, aplica lo siguiente:

donde r es el radio del cable que forma el lazo (m).

Para el voltaje y la corriente inducidas por el campo magnético H1/f de la primera descarga, aplica lo siguiente:

Para el voltaje y la corriente inducidos por el campo magnético H1/s de las descargas subsecuentes, lo siguiente aplica:

Donde H1/f/máx es el máximo valor del campo magnético dentro de la LPZ1 debido a la primera descarga (A/m).

H1/s/máx es el máximo valor del campo magnético dentro de la

LPZ1 debido a las descargas subsecuentes (A/m).

Continuando con el ejemplo :

=52,9922 V

=8,485 A

=56,537 A

=283,3816 V

=56,6883 A

= 2,833 kV

= 14,1721 A

De los valores de corriente y voltaje obtenidos se

aprecia el papel interpretado por el apantallamiento

de la edificación. Mientras mejor sea este

apantallamiento (menor ancho de la cuadrícula)

mayor será la atenuación de los campos magnéticos

y de allí que los voltajes y corrientes a ser

experimentados dentro de la edificación resulten

menores, garantizando el buen funcionamiento de los

equipos electrónicos sensibles a las variaciones de

voltaje. Si a esta

medida de protección (apantallamiento) se suma una

buena red de “ bonding” entonces los resultados

serán aún mejores.

Situación de la LPZ 1 en caso de impactos de descargas atmosféricas sobre la edificación

Para el campo magnético H1 dentro del volumen Vs de la LPZ1 lo siguiente aplica:

Durante el tiempo de frente T1 el máximo valor de Uoc , Uoc/max se tiene:

Donde µo es igual a 4. . 10–7 [V. S / (A/m) ] b es el ancho del lazo (m) dl/w es la distancia del lazo desde la pared del blindaje (m) , donde dl/w > ds/2

dl/r es la distancia promedio del lazo desde el techo del blindaje (m) Io es la corriente de la descarga atmosférica en la LPZ 0A (A) kH es el factor de configuración 1 / (m)1/2 . kH = 0,001 ( 1/ (m)1/2 ) l es la longitud del lazo (m) T1 es el tiempo de frente de la corriente de rayo debida a la descarga en la LPZ0A (s)

w es el ancho de la retícula de la malla del blindaje (m)

Para la corriente de cortocircuito Isc si la resistencia

óhmica de los cables se desprecia (peor caso) aplica lo

siguiente:

Donde L es la inductancia propia del lazo (H).

Para el voltaje y la corriente inducidos por el campo

magnético Hl/f de la primera descarga (T1 = 10 µs)

aplica lo siguiente:

Para el voltaje y la corriente inducidas por el campo magnético H1/s de las descargas subsecuentes (T1 = 0,25 µs) aplica:

Donde If/máx es el máximo valor de la corriente de la primera descarga (kA)

Is/máx es el máximo valor de la corriente de las descargas subsecuentes (kA)

Para finalizar con el ejemplo propuesto:

H1 = 150 A/m Uoc/máx =84,70 V Isc/máx =13,5548 A

PRIMERA DESCARGA:

Uoc/máx = 452,942 kV Isc/máx =90607,6743 A

DESCARGAS SUBSECUENTES:

Uoc/máx = 4529,423 kV Isc/máx =22651,9185 A

De los resultados se observa la importancia de contar

con un buen apantallamiento a la hora de proteger la

edificación contra impactos directos de descargas

atmosféricas. Cuando este fenómeno ocurre, tanto la

edificación como el SPDA instalados se ven sometidos

al impacto de una increíble cantidad de corriente,

voltaje y energía (tal y como se aprecia en los

resultados obtenidos) de allí que resulte esencial

lograr construir un apantallamiento capaz de atenuar

eficientemente los campos electromagnéticos

asociados a las descargas atmosféricas.

Situación dentro de las LPZ > 2

El campo magnético Hn+1 dentro de la LPZn+1 se

asume homogéneo.

De allí que se puedan aplicar las mismas fórmulas

para el cálculo de los voltajes y corrientes inducidas,

donde:

H1 se sustituye por Hn+1

H0 se sustituye por Hn .

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES (SURGE PROTECTIVE DEVICES, SPD). Los Dispositivos de Protección contra

Sobrevoltajes (Surge Protective Devices, SPD)

son dispositivos cuya función es limitar los

sobrevoltajes transitorios y derivar a tierra las

magnitudes de sobrecorriente asociadas a las

sobretensiones.

De acuerdo a su principio de funcionamiento éstos se clasifican en: a-.) SPD del tipo switches de voltaje : SPD que tiene una alta impedancia cuando no se presentan sobretensiones, pero puede tener un cambio repentino de impedancia a un valor muy bajo en respuesta a una sobretensión. Ejemplos comunes de los componentes utilizados como dispositivos de switches de voltaje son: tubos de gas, tiristores (rectificadores de silicona controlados, etc) y triacs. Este tipo de SPD son algunas veces llamados del tipo “crowbar”.

b-.) SPD del tipo limitador de voltaje : SPD que tiene una alta impedancia cuando no se presentan sobretensiones, pero que reducirá el valor de la misma a medida que se incrementan la sobretensión. Ejemplos comunes de los componentes utilizados como dispositivos no lineales son los varistores y los diodos supresores.. Estos SPD son algunas veces llamados del tipo “clamping”.

De acuerdo a su función dentro de la instalación a ser protegida estos dispositivos se clasifican como se observa a continuación:

- CLASE I.

- CLASE II.

- CLASE III.

Energéticamente, los SPD clase I están para manejar

altos volúmenes de energía (lineamientos IEC 62643),

por lo que son instalados en las zonas más expuestas

a sobretensiones (interfase LPZ 0A – 1).

Secuencialmente, el supresor clase III maneja poco

volumen de energía, pero maneja niveles de voltaje de

protección bajos.

En lo que concierne a la coordinación de SPD

subsecuentemente instalados, el primer impacto es el

factor decisivo, ya que los impactos siguientes tienen

una menor energía específica, carga y corriente pico; y

un tiempo de frente de corriente menor.

Supresor de sobrevoltajes transitorios para línea de datos. Tipo serie, recomendado en el Libro

Esmeralda de la IEEE.

ARREGLO DE LOS SPD EN LAS INTERFASES DE

LAS ZONAS DE PROTECCIÓN

Se recomienda que tanto las redes de energía como las

de información que penetren al volumen a ser

protegido lo hagan cerca la una de la otra e

interconectadas (las líneas) a la barra

común. Esto es especialmente importante para un

edificio (o volumen protegido) hecho con materiales no

blindados (madera, ladrillos, etc). Los SPD

seleccionados y su integración dentro del sistema

eléctrico del volumen a ser protegido deben asegurar

que parte de la corriente de la descarga atmosférica

sea principalmente drenada al sistema de puesta a

tierra hacia las zonas externas LPZ 0A /1.

Una vez que la energía inicial de la corriente parcial

de la descarga atmosférica ha sido derivada, los SPD

siguientes sólo necesitan ser diseñados para tratar

la amenaza remanente del primer dispositivo en la

LPZ 0A /1 además de los efectos inducidos por el

campo electromagnético en la LPZ1. (Para lograr una

óptima protección contra las sobretensiones, todos

los conductores de conexión, terminales y cables de

los SPD deben ser tan cortos como sea posible).

Resulta importante destacar que los conductores de

conexión son aquellos que van desde los conductores

de la línea hacia el SPD y desde el SPD hasta el

sistema de puesta a tierra principal o al conductor

protector de tierra.

REQUERIMIENTOS DE LOS SPD

Los requerimientos de los SPD deben obtenerse de

acuerdo al concepto de las Zonas de Protección contra

Descargas Atmosféricas (Lighning Protection Zones,

LPZ).

Cuando se selecciona un SPD se deben considerar los

siguientes requerimientos:

+ Nivel de protección.

+ Requerimientos de corriente y energía.

+ Sobretensiones temporarias.

Los requerimientos; sin embargo, resultan de las

necesidades individuales de cada zona de protección.

TRANSICIÓN DE LA LPZ 0A A LA LPZ 1 Las líneas (pueden ser eléctricas o de comunicación) que penetran desde la LPZ 0A transportan parte de la corriente de la descarga atmosférica, razón por la cual se deben instalar SPD de la clase I para que disipen la corriente en esta interfase. Los parámetros de la corriente parcial de la descarga atmosférica que deben ser tomados en cuenta para cuantificar el esfuerzo al cual será sometido el dispositivo (SPD I) serán determinados por los siguientes factores:

• El nivel de protección requerido de acuerdo a la tabla I de la norma IEC 61312-1. (como se observó en la Tabla IX).

• Las impedancias tanto de tierra como de los caminos alternos de metal (por ejemplo tuberías de metal y de gas, cables de telecomunicaciones y de energía) del volumen a ser protegido.

• El tipo de sistema a.c (TN, TT, IT..) y la configuración de la red.

La coordinación se realiza de acuerdo a los

requerimientos de aislamiento en las

instalaciones de potencia y el grado de

inmunidad del equipo a ser protegido. Siempre

es necesario mantener el nivel de protección

de voltaje del SPD por debajo del nivel de

inmunidad contra daños del equipo a ser

protegido. (Este requerimiento aplica para

todas las zonas de

protección establecidas dentro del volumen a

ser protegido).

TRANSICIÓN DE LA LPZ 0B A LA LPZ 1

En la LPZ 0B predominan los campos

magnéticos creados por la corriente de la

descarga atmosférica (se excluyen los

impactos directos de descarga atmosféricas).

En este caso, los

efectos inducidos se deben simular como una

corriente con forma de onda 8/20 µs (prueba

clase II) o una adecuada combinación de ondas

(prueba clase III).

TRANSICIÓN DE LA LPZ 1 A LA LPZ 2

La amenaza remanente de la zona de transición 1 a la

zona 2, así como los efectos inducidos por el campo

electromagnético confinado en la zona 1 definen los

requerimientos de

los SPD a ser instalados en la interfase entre la LPZ1 y

la LPZ2. Si no se puede realizar un análisis detallado de

la corriente, el esfuerzo dominante debe ser simulado

en términos ya sea de

la corriente de onda con una forma 8/20 µs (clase II) o

una onda de combinada (clase III). Si el SPD 1 es un

dispositivo del tipo crowbar o clamp, la forma de onda

10/350 µs también puede ser considerada.

COORDINACIÓN RESPECTO A LA ENERGÍA A SER

DISIPADA POR CADA SPD

El número de SPD a ser instalados en el volumen a

proteger depende del concepto de las Zonas de

Protección contra Descargas Atmosféricas, la

inmunidad del equipo a ser protegido y las

características de los SPD a ser utilizados. Los niveles

de protección de los SPD seleccionados deben respetar

los requerimientos de la coordinación del aislamiento

en las

instalaciones de baja tensión así como los niveles de

inmunidad del equipo a ser protegido.

El objetivo de la coordinación de energía es evitar

que cualquier SPD en la instalación sea excedido. Los

esfuerzos individuales de los SPD dependen de su

ubicación y por lo tanto sus características deben ser

muy bien especificadas.

Se logra la coordinación de energía si para cada

corriente de onda la porción de energía, derivada

a través del primer SPD , es menor o igual a la

máxima energía que puede soportar el segundo SPD.

La máxima capacidad de soportar energía se define

como la máxima energía que puede soportar el

dispositivo sin sufrir degradación alguna.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE

COORDINACIÓN Para lograr la coordinación entre los SPD se debe escoger uno de los siguientes principios:

-Coordinación ( sin ningún elemento desacoplador que no sea el cableado) basada en la característica estacionaria de corriente y voltaje. Este principio es aplicable para los SPD similares entre sí (por ejemplo varistores de óxido de metal o diodos de supresión). Este método no resulta muy sensible a la forma de onda de la corriente.

- Coordinación utilizando elementos desacopladores. En este sentido, es posible utilizar ya sean resistencias o inductancias como elementos desacopladores . Las inductancias son las más utilizadas para aplicaciones de sistemas de potencia (para transitorios o fenómenos de alta frecuencia). Las resistencias se usan para los sistemas de comunicaciones. Estos elementos pueden ser especialmente instalados o pueden ser la resistencia y la inductancia natural del cable utilizado para interconectar las interfases de las zonas de protección. El parámetro decisivo para este tipo de coordinación viene dado por el paso de la corriente di/dt.

a) Coordinación de los SPD del tipo limitadores de voltaje

La figura siguiente ilustra la dispersión de energía

en un sistema formado por dos SPD limitadores de

voltaje. La energía total con la cual el sistema es

alimentado se incrementa a medida que crece el

impulso de corriente. La coordinación de los

dispositivos resultará efectiva siempre y cuando la

energía disipada en cada uno de los SPD no supere

la capacidad de soporte de energía máxima de

cada uno de los varistores.

Principio básico para la coordinación de dos SPD (del tipo limitadores de voltaje)

La coordinación de los SPD a través de elementos

desacopladores se debe llevar a cabo tomando en

cuanta las características estacionarias de la corriente y

el voltaje para el rango de corrientes relevantes. Este

método como se mencionó con anterioridad no es muy

sensitivo con

respecto a la forma de onda de la corriente.

Si se utilizan inductancias como elementos

desacopladores, se debe tomar en cuenta la

forma de onda de la corriente (por ejemplo 8/20 µs,

10/350 µs).

b-.) Coordinación entre SPD del tipo limitadores de voltaje y del tipo switches de voltaje.

La ignición del gap de ruptura (SPD1) depende del voltaje residual (Ures) en el varistor (SPD2) y la caída de voltaje dinámica a través del elemento desacoplador (UED). Antes de la activación, la distribución de voltaje entre los SPD se comporta de acuerdo a la ecuación:

La coordinación se logra tan pronto como URG (voltaje en los terminales del gap ) exceda el voltaje de disparo dinámico del gap de ruptura. Esto depende de: - Características del varistor.

-Tasa de subida y magnitud de la onda que penetra al sistema.

-Comportamiento del elemento desacoplador.

Cuando se emplea una inductancia como elemento

desacoplador, se deben considerar tanto el tiempo de

subida como la magnitud pico de la onda de

corriente. Mientras mayor sea di/dt menor será la

inductancia requerida para el desacople. Para la

coordinación entre SPD (clase I) y SPD (clase II) se

debe tomar en cuenta especialmente una corriente

de descarga atmosférica con una pendiente mínima

de 0,1 kA/µs. La coordinación entre estos SPD debe

garantizarse tanto para la corriente 10/350 µs como

para la pendiente mínima de corriente de la descarga

de 0,1 kA/µs.

Se deben considerar las siguientes situaciones básicas:

-No ocurre la ruptura del gap con lo cual toda la corriente de la descarga atmosférica fluye por el varistor; esto implica que el varistor debe ser dimensionado para manejar la energía de esta onda de corriente.

-Punto ciego: Este es el caso más crítico para la coordinación de energía entre los supresores del tipo gap y los varistores. El voltaje a través del gap todavía no alcanza el voltaje de operación dinámica del gap aguas arriba y por lo tanto el varistor se ve sometido al esfuerzo provocado por la energía máxima. En este caso la pendiente mínima de corriente es de gran importancia cuando se utilizan inductancias como elementos desacopladores.

- El gap dispara; con lo cual la forma de onda de la corriente que circula hacia el varistor se ve modificada. La duración de la corriente a través del varistor se ve reducida considerablemente.

c-.) Determinación de la inductancia de desacople La figura siguiente muestra el principio del

procedimiento para la determinación de la inductancia

de desacople, formada por dos criterios, la “corriente

de la descarga atmosférica de forma 10/350 µs” y “la

pendiente mínima de corriente de la descarga

atmosférica 0,1 kA/µs”. La característica dinámica de

ambos SPD debe ser tomada en cuenta para la

determinación de este elemento. La suma del voltaje

residual del varistor Ures y la caída de voltaje a través

de la inductancia LED debe exceder el voltaje de

operación dinámica del gap antes que el varistor se

vea sometido a los esfuerzos provocados por la energía

máxima. Los detalles de la aplicación del método se

encuentran disponibles en la norma IEC 61312-3.

Principio para la determinación de la inductancia de desacoplo para la coordinación respecto a la energía ( 10/350 µs y 0,1

kA/µs)

d-.) Coordinación entre SPD del tipo switches de voltaje Una vez que se haya producido el disparo del gap del

dispositivo 2, la coordinación se realizará por medio

del elemento desacoplador. Para determinar el valor

necesario del elemento desacoplador, el gap, debe ser

reemplazado por un cortocircuito. Para la operación

del gap del dispositivo 1, la caída de voltaje dinámica a

través del elemento desacoplador debe ser mayor que

el voltaje de disparo del gap del dispositivo 1.

Si se utilizan inductancias como elementos

desacopladores, se debe tomar en cuenta la forma de

onda (especialmente el valor di/dt), si se utilizan

resistencias, se debe tomar en cuenta el valor pico de

la corriente de onda.

e-.) Variantes básicas de arreglos para protección de sistemas en cascada

• VARIANTE I: Todos los SPD son similares, tienen

características monótonas y continuas de

corriente/voltaje, como los diodos o varistores y se

seleccionan para que tengan el mismo voltaje residual

(Uc).

• VARIANTE II: Todos los SPD tienen características

similares corriente/voltaje, los diodos y varistores se

seleccionan de forma tal que el voltaje residual (Uc)

vaya en aumento desde el primer SPD hasta cada SPD

subsecuente. Esta variante de coordinación aplica para

los sistemas de fuente de energía .

• VARIANTE III: (Combinación Híbrida) el primer SPD

(aguas arriba) incluye componentes que tienen

características discontinuas de corriente/voltaje (el

tipo de SPD de switches con gap) que reduce el tiempo

a la mitad del valor del “impining” de la corriente

original y proporciona un alivio considerable a los SPD

aguas abajo.

• VARIANTE IV (Elemento Desacoplador Integral):

Un SPD de dos puertos incorpora las etapas en

cascada coordinadas internamente con impedancias

en serie o filtros. La conexión interna exitosa garantiza

montos de mínima energía transferida a los SPD o

equipo.

f-.) Alternativa de coordinación de acuerdo a la “energía de paso” La mayor ventaja de este método es que se puede considerar al SPD como una caja negra. Para una onda de corriente dada en el puerto de entrada, no sólo el voltaje de circuito abierto sino la corriente de salida son determinantes (principio de energía de paso). Estas características de salida se convierten en el esfuerzo de una onda combinada (voltaje de circuito abierto 1,2/50 µs y una corriente de cortocircuito 8/20 µs). Se presenta una ventaja ya que no se requiere conocer el diseño interno del SPD.

Para una coordinación aún más confiable. El impulso combinado equivalente debe ser determinado para el peor caso (Imáx, Umáx)

FACTORES QUE INFLUENCIAN LA DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE EN EL SISTEMA A SER PROTEGIDO CUANDO EL IMPULSO INCIDE SOBRE EL SPDA EXTERIOR

La siguiente sección muestra la forma cómo la

NORMA IEC 61312-3 estudia los distintos factores que

afectan la distribución de corriente en el sistema a

ser protegido. Con este fin se presenta un ejemplo

general. De igual forma se muestra el diagrama

utilizado para efectuar los cálculos.

El programa empleado para realizar los cálculos fue

el ATPDraw. Los valores de impedancias asumidos

son valores típicos. Para propósitos de demostración.

La longitud de los cables suplidores fue tomada como

50m, 500 y 1000m.

Modelo básico para la distribución de la corriente de la descarga atmosférica

Rayo que impacta en un edificio vecino

Ver Modelos en ATPDraw

protección de equipos electrónicos sensibles ante sobretensiones(7)proteccion de ees - 238

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