Protección antirrayos para compañías eléctricas y aplicaciones industriales

Transcripción

1 Proección anirrayos para compañías elécricas y aplicaciones indusriales Los impacos del rayo producen inerferencias de ala ensión en las planas indusriales y en las subesaciones de ala ensión. Las caracerísicas de las ransiorias, las ampliudes de las ensiones y el número de las mismas varían considerablemene de una a ora red. Para garanizar un funcionamieno seguro y fiable de los equipos elecroécnicos insalados es necesario comprender correcamene ese fenómeno, así como las implicaciones de deerminadas prácicas indusriales. E n las insalaciones indusriales, la mayoría de las sobreensiones en redes de baja ensión debidas a los rayos no esán provocadas por el rayo como al, sino por el acoplamieno inducivo o capaciivo de la descarga del rayo. Una sobreensión ípica provocada por el rayo iene la forma 1,/50 s, pudiendo alcanzar una ampliud de varios kv 1. Un iempo de formación de 1, s puede corresponder a una frecuencia máxima, aproximada, de enre 0,1 y 1 Mhz. Desde el 1 de enero de 1996, prácicamene odas las insalaciones, sisemas, aparaos y componenes elécricos y elecrónicos han enido que adecuarse a las direcivas EMC de la Unión Europea. Eso significa que los producos mencionados deben esar consruidos de forma que sus emisiones no sean demasiado alas ni se vean gravemene afecados por las perurbaciones elecromagnéicas. Cerificación obligaoria de la UE La cerificación obligaoria de la UE indica la conformidad con odas las normas en vigor. Se raa de requisios mínimos, que no ga- Dr. Sen Benda ABB EMC Cerificaion ranizan que las insalaciones expuesas a fenómenos amosféricos como son los del rayo se encuenren libres de inerferencias. Las sobreensiones que podrían presenarse en las insalaciones como resulado de los fenómenos amosféricos ienen que ser calculadas y verificadas anes de que sobrevengan, con el fin de garanizar el nivel requerido de seguridad elécrica y de compaibilidad elecromagnéica [1]. Para verificar la compaibilidad de los aparaos elécricos y elecrónicos se uilizan normas genéricas, de producos o de grupos de producos; se raa de normas basadas en las series UN X. Sin embargo, la fala general de normas de producos y de familias de producos conduce a que normalmene se compruebe la compaibilidad con las normas genéricas EN X (Emisiones) y 5008-X (Inmunidad), que se refieren a ambienes específicos (por ejemplo, X = para la indusria). A diferencia de las normas básicas, esas normas no se fundamenan en condiciones definidas cieníficamene, por lo que son sumamene simplificadas. En la prácica, las condiciones CEM sobre aparaos o sisemas nunca dependen del emplazamieno (por ejemplo, en la indusria), ni del produco final. Anes bien dependen de las fuenes de inerferencias y de las condiciones de insalación (por ejemplo, de que los cables esén o no blindados, de la separación enre cables, del uso de canales, de la supresión de cargas inducivas, de los sisemas de puesa a ierra, del blindaje de producos y del concepo de filración, ec.). El requisio de inmunidad fala oalmene en las normas genéricas, las cuales consiuyen, por lo ano, un compromiso políico incompleo e insuficiene. Sería injuso pasar por alo el hecho de que, hace ya 5 años, en Suecia se inrodujo un ensayo normalizado de inmunidad conra inerferencias, con ensión de choque, desinado a verificar la inmunidad conra los rayos. Ese ensayo, absoluamene realisa, ha venido proporcionando información inequívoca y, por consiguiene, respuesas claras ano para los fabricanes como para los clienes, algo que no puede decirse de las normas genéricas. El efeco de los rayos Si se observa la descarga de un rayo enre una nube y la ierra, se aprecia que el rayo se inicia con una predescarga que se desplaza paso a paso en dirección a la ierra. Esa predescarga sale de la nube (generalmene cargada negaivamene en su pare inferior) y se mueve con una velocidad igual a aproximadamene el 15% de la velocidad de la luz, desplazándose unos 50 meros en un primer paso. Enonces se deiene unos 50 microsegundos anes de iniciarse el segundo paso. Ese comporamieno se repie hasa que la descarga llega a la ierra. En su descenso, la predescarga suele ramificarse. Y, cuando esá a una disancia de la ierra de unos pocos pasos, generalmene es alcanzada por ora predescarga que asciende desde la ierra. 48 Revisa ABB 4/1998

2 % U a r 30 % max. Curva caracerísica de las ensiones ransiorias del rayo U a Ampliud de ensión r Tiempo de formación 50 Duración al 50% 10 Duración al 10% 1 Sisema de puesa a ierra con proección anirrayos 1 Red de conducores a ierra Pararrayos 3 Transformador AT o MA 4 Disribución elécrica enerrada 5 Red de conducores a ierra del edificio La descarga principal iene lugar cuando la predescarga de la nube llega a ierra o es alcanzada por la que sube desde ierra. La descarga principal se desplaza de la ierra a la nube a una velocidad de aproximadamene 10% de la velocidad de la luz. Puede llevar consigo corrienes de hasa 00 o 300 ka. Si una corriene de descarga que viaja de una nube a ierra es definida como posiiva, enonces la mayor pare de la corriene del rayo provocada por la descarga principal es negaiva. La duración de la descarga principal oscila enre unos pocos microsegundos y varios cienos de microsegundos. Tras la descarga principal, a lo largo de la rayecoria puede correr una corriene más pequeña durane un iempo relaivamene largo (enre 10 y 0 ms), después de lo cual se produce una nueva predescarga, aunque esa ya no se desplaza por pasos. Más bien viaja de forma coninua en dirección a la ierra a una velocidad, consane, de en orno al 3% de la velocidad de la luz. Cuando llega a la ierra se genera una nueva descarga principal. La descarga oal de un rayo, cuyo efeco es comparable al de un generador de corriene, consise normalmene en una serie de hasa res descargas principales. Cables en el inerior de una subesación Una subesación dispone de un sisema de puesa a ierra, consisene en una red mallada de conducores de cobre [3]. Los cables de conrol esán siuados en el inerior de esa malla. La proección anirrayos por encima de la malla la proporcionan los conducores que unen las punas de los poses de ranspore. Esas líneas superiores se conecan con la malla a ravés de los poses. Los ransformadores de una subesación esán proegidos conra las sobreensiones amosféricas por medio de un pararrayos de descarga el cual, a su vez, esá conecado a ierra a ravés de la malla. Cuando un rayo alcanza una línea de ala ensión conecada con la subesación, las ondas vagabundas se propagan hacia la subesación. Si la sobreensión es lo suficiene ala, en el pararrayos se produce una descarga y la corriene se deriva hacia la red mallada de puesa a ierra. Si el rayo llega hasa la proección anirrayos de la subesación, sus corrienes se derivan por los poses hasa la red de puesa a ierra. Las mediciones efecuadas en el momeno del impaco del rayo con la línea de ala ensión han mosrado que la inensidad desviada por el pararrayos de descarga muy raramene supera los 5 10 ka. Cuando se produce un impaco direco sobre el pararrayos, la inensidad del rayo puede alcanzar un valor muy elevado. El cálculo de las sobreensiones producidas por un rayo en los cables de conrol, cuando se produce un impaco sobre una línea de ala ensión o en el sisema de proección anirrayos, es un asuno muy complejo para el cual no exisen reglas sencillas. Se sabe por experiencia que la prudencia aplicada a la hora de insalar las subesaciones han hecho muy infrecuenes las averías por rayos. El siguiene ejemplo demuesra que el riesgo es, en efeco, mínimo. Los cables superan raras veces los 00 m de longiud, lo cual significa que pueden ser considerados elécricamene coros con respeco a la banda de frecuencia del impaco de un rayo. No es necesario, por lo ano, ener en cuena la forma de onda. La ensión generada enre el conducor y el blindaje será aproximadamene igual al produco de la corriene que se propaga en el blindaje y de la resisencia del mismo. Cuando el rayo impaca en la proección anirrayos de la subesación, su corriene se divide de acuerdo con la ley de Kirchhoff. Revisa ABB 4/

3 Una pare de la corriene desciende por los poses hasa la red mallada, los cables de conrol y los blindajes, mienras que la ora se propaga por las líneas que unen las cabezas de los poses. Cabe razonar el siguiene reparo: la miad de la corriene del rayo se dirige a la red de puesa a ierra de la esación y a los blindajes del cable; la ora miad va a las líneas superiores que acompañan a las líneas de ala ensión. Suponiendo que la oalidad de la corriene del rayo conducida a la red de puesa a ierra pase por un pose y que un cable de conrol y dos conducores de la puesa a ierra esén soporados por ese pose, la corriene en el blindaje será = 0,1666, es decir, el 16,6% de la corriene oal del rayo. En un cable proviso de blindaje meálico con una resisencia de 1 Ω/km, una inensidad de rayo de 60 ka desarrollará la siguiene ensión U: U = 0, 0, = 1,999 kv En el caso de una esación con una «superficie colecora» de 0,1 km y con las caracerísicas de rayo expuesas en el capíulo de [1], al ensión se producirá más o menos una vez cada cien años. Teniendo en cuena que los cables esán calculados para resisir una ensión de al menos 3 kv, el riesgo de que se produzcan daños es muy bajo. Suminisro de energía para la indusria En la indusria se da por senado que los sisemas de suminisro de energía no deben esar expuesos a los efecos de los rayos. Eso se logra proegiendo el ransformador primario, proección consise en un descargador de sobreensiones dispueso en el lado de ala ensión. La energía se disribuye a los consumidores, a un nivel bajo de ensión, por medio de cables suberráneos que perenecen a un sisema inegrado de líneas de ierra. Exise, sin embargo, peligro de que aparezcan sobreensiones y de que se produzcan daños en los componenes si la disribución de baja ensión iene líneas aéreas o si el ransformador (proegido por un pararrayos) esá conecado a ierra fuera del sisema de líneas de ierra al que esá conecado el sisema elecrónico. En casos como ese hay que proeger el sisema elecrónico conra la sobreensión y hay que conecar dicha proección direcamene a ierra. Ese ipo de insalaciones exise en numerosos países no europeos, de modo que es necesario comprobar que la inmunidad de los equipos conra las inerferencias ha sido diseñada apropiadamene. Una red TT, al como se define en la CEI 364, no debería ser nunca uilizada como suminisro de energía para equipos elecrónicos indusriales. El hecho de que se empleen punos de puesa a ierra disinos para el ransformador de suminisro y para los equipos elecrónicos significa que exise peligro de desrucción de esos aparaos por efeco de fenómenos amosféricos [3]. Proección anirrayos de los sisemas elecrónicos indusriales En las insalaciones indusriales y cenrales elécricas, las redes de ierra, inerconecadas correcamene, se insalan generalmene juno con el sisema de disribución elécrica. Esas insalaciones, que cumplen con las condiciones de suminisro de energía mencionadas aneriormene (equipos elec- Pararrayos con descarga de gas: ensiones de disparo U y iempos de disparo en función de la velocidad de formación. Los pararrayos normales con descarga de gas se disparan relaivamene arde, permiiendo por ano el paso de punas de ensión relaivamene alas. La llamada «Spikeguard», una proección especial con descarga de gas, se aciva an rápidamene que, en la prácica, ninguna sobreensión puede franquear el ubo de descarga. 3 Proección anirrayos en líneas elefónicas (Swedish Power Auhoriy and Swedish Telecommunicaions Auhoriy). A los ubos de descarga de gases se les han incorporado filros LC y diodos Zener. En la lieraura se encuenran referencias a la incorporación de fusibles 1 de ala ensión en los disposiivos de proección con descarga de gases. Es fundamenal que la conexión al sisema de ierra sea efeciva, cora y sin inducancia. 1 Nuevo pararrayos con descarga de gas, ensión de disparo 500 V Pararrayos convencional con descarga de gas, ensión de disparo 400 V V U kv / s 5kV/ s 1kV/ s 100 V / s 1 1 L R (10W) C s 1 50 Revisa ABB 4/1998

4 I I V 3.3 n MΩ 50 V 3.3 n MΩ V 3000 V Proección anirrayos para cable coaxial 5 El problema de la proección anirrayos de la comunicación Eherne 6 1 Cable coaxial 3 Peligro para el sisema elecrónico Transmisor-recepor 4 Puesa a ierra rónicos comprobados conra las ensiones de choque según la Clase 3 de la norma básica EN ), no requieren proección suplemenaria anirrayos siempre y cuando no se uilicen cables aéreos exeriores. En cambio, las grandes insalaciones (de abasecimieno de agua, refinerías, ec.) pueden ener sisemas inadecuados de oma de ierra, posiblemene con cables de señalización monados por encima del suelo. Esos casos exigen una proección suplemenaria anirrayos, necesaria siempre que un cable sale del sisema de puesa a ierra, incluso aunque se rae de disancias de sólo 10 meros. Los cables siuados fuera del sisema de ierra necesian siempre proección anirrayos. Ciemos los cables de unión con sensores fuera de la zona conecada a ierra, por ejemplo los que se uilizan en las cenrales elécricas para medir el nivel de agua. En cambio, los cables siuados fuera de la red de ierra pero próximos a esrucuras meálicas (sopores, raíles, grúas, oleoducos, ec.) no necesian proección suplemenaria anirrayos, ya que esos equipos se comporan análogamene a una red de puesa a ierra. Pararrayos con descarga de gas Los disposiivos con descarga de gas, uilizados principalmene para la proección conra las sobreensiones causadas por los rayos, esán dimensionados para desviar las inensidades de los rayos de ipo normal y que la experiencia ha demosrado que suelen ser del orden de 5 a 30 ka. La energía en juego alcanza valores de varios cienos de vaios. La capacidad de desviación de los diferenes ipos oscila enre 5 y 30 ka durane 50 s, pudiendo seleccionarse ensiones coninuas de disparo de enre 100 V y 10 kv. Sin embargo, si el frene de impulsión es pronunciado, la ensión de disparo es generalmene mayor que la ensión nominal de respuesa. La figura 3 presena las ensiones y iempos de disparo para diferenes gradienes del frene de onda. En caso de Regla de dimensionado para la proección anirrayos en cascada U Tensión nominal de disparo Tiempo 1 Proección primaria (edificio) Proección secundaria (armario) 3 Proección erciaria (circuios impresos) U impulsos pronunciados escalonados, un pararrayos normal de gas, con una ensión de disparo de unos pocos cienos de volios, puede provocar punas de descarga de varios kv durane algunos microsegundos. Ese ipo de pararrayos ha de ser reforzado, por lo ano, con una proección suplemenaria (por ejemplo un diodo Zener con resisencia o inducancia, un varisor, un filro RC) que elimine las punas de descarga cuyo conenido de energía es, de odos modos, relaivamene bajo. En la figura 4 se muesra compleo el sisema de proección anirrayos para líneas elefónicas empleado por Vaenfall, compañía elécrica esaal sueca, y por Telia, la empresa de elecomunicaciones del mismo país. Los nuevos disposiivos anirrayos con descarga de gas ienen un iempo de disparo muy coro ( ns) y por ano pueden uilizarse sin proección suplemenaria. El diseño de esas «proecciones de puna» permie monarlos direcamene en los cables coaxiales. Una pararrayos normal con descarga de gas iene unas dimensiones muy pequeñas, del orden de 1 cm de diámero y una longiud de 1 a 5 cm. Cuando se aciva el pararrayos, la ensión ransversal baja súbiamene hasa un valor de unos pocos volios. Esa ensión, denominada «poencial de halo», se maniene mienras la inensidad es mayor que la «inensidad de exinción». No esá permiido el uso de pararrayos convencionales con descarga de gas en el Revisa ABB 4/

5 Tabla 1: Resumen de la norma CEI Alimenación elécrica E/S de procedimieno 4,5 Circuios equilibrados 5 SDB, DB 1,5 Nivel LDB NMV CMV 3 NMV CMV NMV CMV NMV CMV kv 0.5 kv 0.5 kv 0.5 kv 1.0 kv 0.5 kv 1.0 kv 1.0 kv 0.5 kv kv.0 kv 1.0 kv.0 kv.0 kv 4.0 kv 4.0 kv.0 kv 4.0 kv 4.0 kv 5.0 kv 4.0 kv.0 kv 4.0 kv 4.0 kv X CMV Tensión en modo común NMV Tensión en modo normal DB Bus de daos LBD Bus de larga disancia SDB Bus de cora disancia Clase 0 4: 1,/50 s (8/0 s en circuios poco resisivos) Clase 5: como clase /700 s Noa 1: disancia limiada, configuración y concepción especiales Noa : R = Ω Noa 3: R = 1 Ω Noa 4: R = 4 Ω Noa 5: Cuando se uilizan cables blindados, con el blindaje pueso a ierra en ambos exremos, se inyeca el impulso sólo en el blindaje (valor CMV R = Ω). Si se uilizan cables blindados y el blindaje esá pueso a ierra sólo en uno de los exremos, el blindaje ermina con un capacior de 100 pf/m anes de inyecar el impulso en el blindaje (valor CMV R = Ω). R c campo del suminisro de energía, ya que basan unas pocas decenas de ma para impedir la recuperación auomáica del pararrayos y en la prácica no es posible desacivar manualmene el circuio de suminisro de energía. Por consiguiene, las líneas de suminisro con ensiones poranes superiores a 4 V hacia el recepor exerno han de esar proegidas con varisores o pararrayos. La proección anirrayos debe esar siempre siuada direcamene a la enrada del cable en el armario, en los juegos de barras o en la cubiera de chapa. El monaje Generador híbrido de choque uilizado para verificar la inmunidad a los fenómenos amosféricos EUT Equipo pueso a prueba C c Condensador de almacenamieno de energía C r Condensador de equilibrado de impedancia L r Bobina de inducancia para equilibrar la impedancia R c Resisencia de carga R m Resisencia de adapación de impedancia R s Resisencia para duración del impulso U Fuene de ala ensión U = C c R s C r EUT R m L r 8 mural direco con línea de puesa a ierra es normalmene ineficaz y, por ano, peligroso. Esa medida sólo es úil como proección suplemenaria (por ejemplo, en el puno en que los cables peneran en el edificio). Las líneas de señalización que requieren pararrayos con descarga de gas deben disponer de una unidad de pararrayos por cada cable de señalización en los punos de monaje de equipo erminal y en el exremo del blindaje de los cables de superficie. Si se uilizan cables coaxiales basa con conecar la proección anirrayos al blindaje 5. El razado de las líneas de comunicación Eherne debe ser al que los cables no esén expuesos a sobreensiones. Los ransmisores-recepores esán siuados en numerosos punos de las insalaciones de campo, lo que hace imposible insalar una proección anirrayos que funcione sin inducancia 6. A menudo, la inducancia de la línea de ierra es mayor que la del reso de la insalación de campo, lo cual favorece que una corriene provocada por el rayo se propague por el sisema elecrónico hasa ierra, desruyendo oalmene el equipo en cuesión. 5 Revisa ABB 4/1998

6 % 90 U peak % 90 I peak U peak I peak U 30 I s 6.4 s ( r ) a 50 s b 16 s Formas de onda de los choques de ensión (a) y de corriene (b), obenidas con el generador híbrido de choques 9 r Tiempo de formación Eso significa que un cable enre dos edificios deberá esar alojado en un canal de acero, con puesa a ierra en ambos exremos y enerrado a una profundidad de 80 cm. La línea de ierra paralela, conecada en ambos exremos, deberá ener la misma configuración. Finalmene, si se uiliza proección anirrayos en cascada será necesario seleccionar las ensiones nominales de disparo 7. Verificación de la inmunidad conra los fenómenos amosféricos Recienemene se ha aprobado la norma inernacional EN , con el denominado «ensayo de choque», para verificar la inmunidad a los fenómenos amosféricos. Ese méodo de simulación esá basado en el uso de un «generador híbrido de punas de ensión» 8 con baja resisencia de salida, que conmua auomáicamene enre impulsos de ensión con 1,/50 s de duración virual del frene de onda (iempo de formación 1/50 s) e impulsos de inensidad con 8/0 s de duración virual del frene de onda (iempo de formación, 6,4/16 s) 9. La impedancia inerna del generador de ensayo oscila enre y 4 Ω y su ampliud varía enre 0,5 y 4 kv. La conexión con el componene pueso a prueba viene dada por la red de acoplamieno. En la Tabla 1 se ofrece un resumen de esa norma. La considerable oposición con que se enfrenó esa norma rerasó considerablemene su adopción. La norma sigue eniendo muchos defecos. Hay que mencionar que, de acuerdo con esa norma, el modo de ensión común CMV (Common Mode Volage) se refiere a la conexión enre un conducor paricular y la ierra, mienras que el modo de ensión normal NMV (Normal Mode Volage) se refiere a la conexión de dos conducores []. Resumen El diseño de sisemas elecrónicos que han de funcionar en ambienes indusriales exige dominar el are de fabricar sisemas, aparaos y arjeas de circuios impresos proegidos conra las inerferencias. Probablemene no exisan fabricanes que, para sobrevivir en ese campo, no inenen asegurar por odos los medios que los equipos que ofrecen cumplen lo que promeen. Tampoco hay duda de que odos los fabricanes ponen a prueba sus sisemas en sus laboraorios y deparamenos de desarrollo. La cuesión que surge, sin embargo, es si esos procedimienos consiuyen garanía suficiene de un funcionamieno sin problemas y si aseguran la saisfacción de la clienela. La respuesa será afirmaiva si se oman en consideración las fuenes de inerferencias que afecan a una indusria deerminada y enre ellas, por supueso, los fenómenos amosféricos y si el fabricane hace las necesarias verificaciones con un ensayo de inerferencias. Los fabricanes deben esar absoluamene seguros de cuáles son las normas de aplicación. En ABB Indusry and Drives se creó con ese fin una norma inerna de la empresa, «Requisios y Políica CEM», que raa dos imporanes ámbios, los equipamienos indusriales no proegidos y los disposiivos de conmuación exeriores de ala ensión. La filosofía subyacene es que una norma de ese ipo, además de cubrir odos los requisios legales mínimos, debe ener en cuena oras necesidades, ya conocidas, para asegurar un funcionamieno sin inerferencias, incluida la inmunidad a los fenómenos amosféricos. Bibliografía [1] S. Benda: Inerference-free elecronics. ISBN ABB Publ. no. 3BSE R0101. [] S. Benda: Compaibilidad elecromagnéica: normas inernacionales, evaluación y experiencia. Revisa ABB 5/95, [3] S. Benda: Sisemas de puesa a ierra y compensación de ensión en grandes insalaciones. Revisa ABB 5/94, 9. [4] S. Benda: Dominio de sobreensiones y ensiones perurbadoras. Revisa ABB 8/96, Dirección del auor Dr. Sen Benda ABB EMC Cerificaion AB S Väserås Telefax: +46 (0) sen.benda@seisy.mail.abb.com Revisa ABB 4/