Energía y Protección

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1 Pietrosemoli, R.I. E&P - 1 Energía y Protección Ermanno Pietrosemoli Escuela Latinoamericana de Redes Universidad de los Andes ermanno@ula.ve

2 Pietrosemoli Pietrosemoli 2 Pietrosemoli, R.I. E&P - 2 Puesta a tierra y equipotenciación Motivos para la puesta a tierra: Seguridadparael personal Protección contra sobrevoltajes Rayos Fallas Eléctricas Disipación de las cargas estáticas Obtención de un voltaje de referencia Protección de equipo eléctrico Reducción del ruido y la interferencia

3 Puesta a Tierra La puesta a tierra tiene el objetivo principal de canalizar las perturbaciones eliminando así el riesgo potencial para las personas. Es así como las jabalinas disipan hacia lugares no peligrosos la corriente de una descarga atmosférica, las mallas enterradas de cables de cobre dispersan corrientes de cortocircuito en el terreno reduciendo la llamada tensión de paso a límites aceptables, etc. Una puesta a tierra correctamente realizada en una instalación le otorga seguridad minimizando el peligro, pero no elimina los efectos secundarios. Normalmente se trata de eventos donde se pone en juego gran cantidad de energía en un breve lapso, lo que redunda en fenómenos caracterizados por pendientes elevadas por unidad de tiempo. Los di/dt, dv/dt adquieren importancia e inducen en otras instalaciones corrientes o tensiones que viajan por los cables y elevan potenciales introduciendo señales espurias donde no debería haberlas. Pietrosemoli Pietrosemoli 3 Pietrosemoli, R.I. E&P - 3

4 Pietrosemoli Pietrosemoli 4 Pietrosemoli, R.I. E&P - 4 Un rayo típico tiene: Potencia instantánea mayor de un MW Energía total mayor de 250 kj Presión sonora de 90 Atmósferas a 500 m Temperatura de K Tiempo de alzada 0.1 a 5 us Corriente promedio de 30 ka Duración 300 us Longitud del canal 5 km

5 Pietrosemoli Pietrosemoli 5 Pietrosemoli, R.I. E&P - 5 Pararrayo Definición. Un pararrayos es un dispositivo protector que limita las subidas de tensión descargando o puenteando la corriente producida y evita el paso continuo de la corriente, y es capaz de repetir estas funciones.

6 Puesta a Tierra Pietrosemoli Pietrosemoli 6 Pietrosemoli, R.I. E&P - 6

7 Pietrosemoli Pietrosemoli 7 Pietrosemoli, R.I. E&P - 7 Componentes de un sistema de puesta a tierra: Sistema de electrodos de puesta a tierra Sistema de puesta a tierra del equipo (puesta a tierra de seguridad)

8 La descarga electroestática es la mayor causa de falla de equipos electrónicos. Este efecto a menudo pasa desapercibido La humedad y la temperatura pueden proteger contra las descargas electroestáticas, pero es necesario también proveer un camino a tierra para estas cargas Pietrosemoli Pietrosemoli 8 Pietrosemoli, R.I. E&P - 8

9 Pietrosemoli Pietrosemoli 9 Pietrosemoli, R.I. E&P - 9 Descarga Electroestática Constituida por el paso de corriente de un objeto a otro Normalmente alto voltaje pero baja corriente. El arco electroestático de 1 cm entre una manilla y la mano corresponde a unos 19,000 Volts!

10 Pietrosemoli Pietrosemoli 10 Pietrosemoli, R.I. E&P - 10 Puesta a tierra y equipotenciación Tierra: Una conexión, sea a propósito o accidental entre un circuito o equipo eléctrico y la tierra, o algún cuerpo conductor que haga el papel de tierra.

11 Bonding (Bonded) Pietrosemoli Pietrosemoli 11 Pietrosemoli, R.I. E&P - 11 Puesta a tierra y equipotenciación Equipotenciación: La unión permanente de elementos metálicos para proveer una vía que asegure la continuidad eléctrica, con la capacidad de conducir de manera segura la corriente que pudiera presentarse. En inglés bonding

12 Pietrosemoli Pietrosemoli 12 Pietrosemoli, R.I. E&P - 12 Puesta a tierra y equipotenciación La puesta a tierra implica la conexión de los elementos metálicos no destinados al transporte de corriente tales como bastidores (racks), conduits, cables, escalerillas y equipos eléctricos al sistema de tierra del edificio.

13 Pietrosemoli Pietrosemoli 13 Pietrosemoli, R.I. E&P - 13 Requerimientos de puesta a tierra Todo mástil de antena debe ser conectado a tierra La armadura del cable coaxial debe ser conectada a tierra Cada conductor de un cable multipar de categoría 5 que entre a un edificio proveniente de una antena externa debe ser dotado de un protector contra rayos con en el punto de entrada al edificio

14 Pietrosemoli, R.I. E&P - 14 Máxima resistencia a tierra admisible <25 Ohms (Seguridad) < 5 Ohms (Requerimientos típicos de los fabricantes de equipos)

15 Pietrosemoli Pietrosemoli 15 Pietrosemoli, R.I. E&P - 15 Efecto Pelicular Los rayos constituyen transientes que tienen una parte importante de su energía en frecuencias elevadas, por lo que la corriente eléctrica de la descarga viajará por la superficie del conductor, no por su núcleo. Esto justifica el uso de conductores de sección rectangular, como las cintas, en los cuales ambas superficies contribuyen a la conducción. El cobre es un excelente conductor, poco atacado por los ácidos y de gran durabilidad

16 Pietrosemoli Pietrosemoli 16 Pietrosemoli, R.I. E&P - 16 Sistema de electrodos de puesta a tierra Campo de tierra Electrodo de tierra Conductor del electrodo de tierra (Bonding conductor)

17 Puesta a tierra y equipotenciación Tuberias de agua fría Muy utilizadas Resistencia a tierra baja, inferior a 3 ohm Requerimientos: En contacto directo con al menos 3 m de tierra Conectada dentro de los 3m de la entrada Eléctricamente continua Que no haya tubos plásticos Conectada a otro tipo de electrodo Pietrosemoli Pietrosemoli 17 Pietrosemoli, R.I. E&P - 17

18 Pietrosemoli Pietrosemoli 18 Pietrosemoli, R.I. E&P - 18 Puesta a tierra y equipotenciación Anillo de tierra Conductor desnudo enterrado en forma de anillo: Profundidad mínima de 76 cm Tamaño mínimo 2 AWG (7.91 mm) y 6 m de longitud

19 Pietrosemoli Pietrosemoli 19 Pietrosemoli, R.I. E&P - 19 Radiales de tierra Constituyen una manera eficaz y económica de puesta a tierra La inductancia limita la longitud máxima a 23 m, pero deben ser al menos de unos 15 m para baja resistencia

20 Pietrosemoli Pietrosemoli 20 Pietrosemoli, R.I. E&P - 20 Puesta a tierra y equipotenciación Using an Electrical Service Ground

21 Pietrosemoli Pietrosemoli 21 Pietrosemoli, R.I. E&P - 21 Puesta a tierra y equipotenciación Todos los sistemas deben estar Interconectados por seguridad

22 Pietrosemoli Pietrosemoli 22 Pietrosemoli, R.I. E&P - 22 Puesta a tierra y equipotenciación Acero Estructural Buen conductor Baja impedancia No siempre está interconectado

23 Pietrosemoli Pietrosemoli 23 Pietrosemoli, R.I. E&P - 23 Electrodos para puesta a tierra: Jabalinas enterradas (barras copperweld) Anillos de tierra enterrados Placas metálicas enterradas Electrodos en concreto Barras de tierra quìmica

24 Puesta a tierra y equipotenciación Zona de protección Pietrosemoli Pietrosemoli 24 Pietrosemoli, R.I. E&P - 24

25 Pietrosemoli Pietrosemoli 25 Pietrosemoli, R.I. E&P - 25 Puesta a tierra y equipotenciación Edificaciones pequeñas

26 Pietrosemoli Pietrosemoli 26 Pietrosemoli, R.I. E&P - 26 Puesta a tierra y equipotenciación Sistema de Pararrayos: Terminales múltiples en el techo Conductores a tierra Conductores de ecualización Electrodos enterrados

27 Pietrosemoli Pietrosemoli 27 Pietrosemoli, R.I. E&P - 27 Puesta a tierra y equipotenciación La distribución de energía eléctrica en un edificio requiere la existencia de una puesta a tierra por motivos de seguridad. La mayorìa de los sistemas de comunicaciones establecen la referencia de tierra por medio de una conexión a la puesta a tierra eléctrica

28 Pietrosemoli Pietrosemoli 28 Pietrosemoli, R.I. E&P - 28 Los electrodos de puesta a tierra pueden ser de dos tipos: Estructuras metálicas hechas con otros propósitos: Acero Estructural Tuberias enterradas Conjunto de electrodos enterrados específicamente con el propósito de lograr una buena conexión a tierra: Jabalinas Radiales Planchas

29 Pietrosemoli Pietrosemoli 29 Pietrosemoli, R.I. E&P - 29 Factores que influyen en la resistencia a tierra: Contenido de humedad del suelo Cantidad de electrolitos Tipo de electrolitos Conductores adyacentes Temperatura Profundidad del electrodo Diámetro del electrodo Espaciamiento entre electrodos

30 Resisitividad de algunos suelos Pietrosemoli Pietrosemoli 30 Pietrosemoli, R.I. E&P - 30

31 Pietrosemoli Pietrosemoli 31 Pietrosemoli, R.I. E&P - 31 Tamaño del electrodo enterrado Duplicar la profundidad de enterramiento reduce la resitencia en un 40% El aumento del diámetro tiene poco efecto, la duplicación solo reduce la resistencia en un 10 %

32 Pietrosemoli Pietrosemoli 32 Pietrosemoli, R.I. E&P - 32 Puesta a tierra y equipotenciación Colocación ineficiente de los electrodos: Separación mínima igual a la longitud

33 Pietrosemoli Pietrosemoli 33 Pietrosemoli, R.I. E&P - 33 Puesta a tierra y equipotenciación Jabalinas Múltiples Igual profundidad 10 Ω Espaciamiento apropiado 6 Ω 4 Ω 3.4Ω

34 Pietrosemoli Pietrosemoli 34 Pietrosemoli, R.I. E&P - 34 Electrodos con tratamiento químico Mejoran la conductividad a tierra Diseñados para ir perdiendo sus capas exteriores Los químicos se dispersan en el terreno, con efectos ecológicos adversos Tiempo de vida limitado

35 Pietrosemoli Pietrosemoli 35 Pietrosemoli, R.I. E&P - 35 Tratamiento químico del suelo Alternativa cuando el suelo es muy duro que dificulta el enterramiento de los electrodos Proporciona una conductancia a tierra constante a pesar de las variaciones estacionales.

36 Pietrosemoli Pietrosemoli 36 Pietrosemoli, R.I. E&P - 36 Tratamiento del suelo La tierra es un conductor garacias a las numerosas sales presentes. La conductividad se puede mejorar a;adiendo iones al suelo. El tratamiento consiste en añadir agua o una solución salina alrededor del electrodo enterrado. Si el suelo ya contiene suficiente sales, el añadido de agua libera los iones y mejora la conductividad Si los iones son escasos, se puede agregar sales como la de Epsom para mejorar la conductividad. Dependiendo de la pluviosidad, el añadir 10 kg de sal por cada electrodo puede mejorar la conductividad por un periodo de unos dos años.

37 Pietrosemoli Pietrosemoli 37 Pietrosemoli, R.I. E&P - 37 Evítense los ángulos agudos en los conductores de puesta a tierra. La inductancia se opone a los transientes. Evítense los lazos Sharp bends cause corona effect at bends, which can m elt conductor during surge.

38 Pietrosemoli Pietrosemoli 38 Pietrosemoli, R.I. E&P - 38 Tipos de protectores contra sobretensiones Transient Voltage Suppressor (TVS) Gas Tube Thyristor Hybrid (Gas Tube / Solid State)

39 Pietrosemoli Pietrosemoli 39 Pietrosemoli, R.I. E&P - 39 Comparación de protectores contra sobretensiones Los de de tubo de gas son de bajo costo y soportan repetidas descargas de alta tensión, pero no responden a transientes muy rápidos Los de estado sólido responden rápidamente pero requieren tiempo para recuperación. Costo medio Los híbridos proporcionan una mejor protección a un mayor costo

40 Pietrosemoli Pietrosemoli 40 Pietrosemoli, R.I. E&P - 40 El protector contra sobretensiones no actuará si la impedancia a tierra es muy elevada Los factores que determinan la impedancia a tierra son: Apretado de las conexiones Longitud del conductor a tierra Distancia de la falla al electrodo de tierra Número de curvas y radio de curvatura

41 Pietrosemoli Pietrosemoli 41 Pietrosemoli, R.I. E&P - 41 Cuando ocurra una falla a tierra los siguientes segmentos del sistema de tierra deberán conducir la mayor parte de la corriente de falla: Sistema de tierra del equipo Conector de tierra del tablero principal Conductor del neutro entre el equipo de servicio y el neutro del transformador

42 Los conductores de equipotenciación deben: Ser de cobre Ser de color verde o con pintura verde Tener aislamiento de color verde Ser tan cortos y rectos como sea posible Tener un radio de curvatura de al menos 8 veces el diámetro. No menor de 18 cm. No tener empalmes Pietrosemoli Pietrosemoli 42 Pietrosemoli, R.I. E&P - 42

43 Diferentes Metales El cobre no debería nunca estar en contacto directo con materiales galvanizados sin la adecuada protección. El agua en contacto con el cobre contiene iones que diluyen el cinc utilizado en la galvanización. El acero inoxidable se puede utilizar como metal puente, pero téngase en cuenta que no es un buen conductor, por lo que la superficie de contacto debe ser tan grande como sea posible y debe protegerse con compuesto para juntas para evitar que el agua transite entre materiales disímiles. Pietrosemoli Pietrosemoli 43 Pietrosemoli, R.I. E&P - 43

44 CALIDAD EN LA TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN Pietrosemoli Pietrosemoli 44 Pietrosemoli, R.I. E&P - 44 En la actualidad, la mayoría de los equipos de comunicaciones utilizan una fuente conmutada, que, al rectificar, eliminan cualquier perturbación de la tensión de alimentación, generando la tensión continua necesaria para el funcionamiento de la electrónica interna con el grado de estabilidad necesario. Como caso extremo, el equipo funciona igual aún cuando la tensión tenga forma de onda cuadrada o senoidal, a condición de que sea alterna. Las mejores fuentes aceptan cualquier nivel de tensión y frecuencia dentro de amplios límites (típicamente V para la tensión, Hz para la frecuencia), absorbiendo variaciones mediante filtros que permiten generar una corriente casi senoidal sobre la línea y factor de potencia muy cercano a la unidad.

45 Puesta a tierra y tablero de distribución Pietrosemoli Pietrosemoli 45 Pietrosemoli, R.I. E&P - 45