PROTECCIÓN INTEGRAL CONTRA RAYOS Y SOBRETENSIONES

Transcripción

1 PROTECCIÓN INTEGRAL CONTRA RAYOS Y SOBRETENSIONES EJEMPLO PRÁCTICO Autor: Ing. Luis Gil LópezL

2 1 Introducción Las tormentas eléctricas son fenómenos naturales que no pueden evitarse, los rayos impactan las edificaciones, los servicios que entran a las mismas, y la tierra cercana a unos y otros. También en las instalaciones se inducen sobretensiones originadas por maniobras en los sistemas eléctricos tanto dentro de la propia instalación como provenientes del exterior. De aquí surge la necesidad de protegerse contra todos estos fenómenos.

3 La necesidad de la protección, la selección de las medidas de protección más adecuadas y los beneficios económicos de las medidas de protección adoptadas deben determinarse en función del análisis del riesgo. En edificaciones existentes, que es el caso que nos ocupa, las medidas de protección seleccionadas deben tomar en cuenta las características y condiciones de la construcción, y las de los sistemas eléctricos y electrónicos existentes.

4 Importancia de la evaluación del riesgo Todo diseño que se haga de un sistema de protección contra el rayo debe estar basado en la evaluación del riesgo, esta: Permite evaluar si es necesario protegerse; Si hay que protegerse, permite entonces conocer cuales son las medidas de protección más adecuadas a la instalación o al servicio en cuestión; Permite evaluar los beneficios económicos de las medidas de protección seleccionadas, por comparación de los costos de las pérdidas económicas con o sin las medidas de protección adoptadas.

5 El análisis del riesgo se desarrollará sobre la base del documento 81/241A/CDV, el cual constituye el proyecto de norma de la IEC CDV Ed. 1.

6 2 Análisis del Riesgo Fuente de daño La corriente del rayo es la primera fuente de daño; las siguientes fuentes se diferencian según el punto de impacto del rayo (vea la Tabla que se muestra más adelante): S1: Impacto a la estructura, S2: Impacto cercano a la estructura, S3: Impacto a un servicio, S4: Impacto cercano a un servicio. IEC CDV Ed. 1

7 Tipos de daño Los daños que puede causar el rayo dependen de las características del objeto a proteger como son el tipo de construcción, contenido y aplicación, tipos de servicios y las medidas de protección aplicadas. Para el análisis del riesgo se distinguen tres tipos básicos de daños: D1: Lesiones a los seres vivos, D2: Daños físicos, D3: Fallas de los sistemas eléctricos y electrónicos. IEC CDV Ed. 1

8 Tipos de pérdidas Cada tipo de daño, solo o en combinación con otros, puede producir una pérdida consecuente diferente en el objeto a proteger. Las pérdidas que pueden aparecer en una edificación son: L1: Pérdidas de vidas humanas, L2: Pérdidas de servicios públicos, L3: Pérdidas del patrimonio cultural, L4: Pérdidas de valores económicos (por la edificación y su contenido, por pérdidas relacionadas con la actividad productiva). IEC CDV Ed. 1

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10 Riesgo y componentes del riesgo El riesgo R es una medida de las pérdidas, para cada tipo de pérdida debe evaluarse el riesgo relacionado. Los riesgos a evaluar en una edificación pueden ser: R 1 : Riesgo de pérdida de vidas humanas; R 2 : Riesgo de pérdida de servicios públicos; R 3 : Riesgo de pérdida del patrimonio cultural; R 4 : Riesgo de pérdida de valores económicos. IEC CDV Ed. 1

11 Riesgo tolerable R T Es responsabilidad de las autoridades pertinentes identificar los valores del riesgo tolerable. Valores representativos del riesgo R T, donde la caída de rayos involucra pérdida de vidas humanas, o pérdida de valores culturales o sociales, se reflejan en la siguiente tabla: IEC CDV Ed. 1

12 TIPO DE PÉRDIDA R T Pérdida de vidas humanas 10-5 Pérdida de servicios públicos 10-3 Pérdida del patrimonio cultural 10-3 IEC CDV Ed. 1

13 Evaluación del riesgo Procedimiento básico para realizar la evaluación: Identificar el objeto a proteger y sus características; Identificar todos los tipos de pérdidas en el objeto y los riesgos relacionados R (R 1 a R 4 ); Evaluación del riesgo R para cada tipo de pérdida; Evaluación de la necesidad de la protección, por comparación de los riesgos R 1, R 2, y R 3 con el riesgo tolerable R T ; IEC CDV Ed. 1

14 Evaluación de la conveniencia económica de la protección por comparación del costo de las pérdidas totales con o sin medidas de protección. En este caso debe evaluarse R 4. IEC CDV Ed. 1

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17 3 Ejemplo Práctico En este ejemplo trataremos una casa vivienda que se remodela para utilizarla como oficina, los riesgos a evaluar son R 1 (riesgo de pérdida de vidas humanas) y R 4 (riesgo de pérdida de valores económicos). Nosotros evaluaremos solamente R 1 y lo compararemos con el valor del riesgo tolerable R T = Se decidió no poner instalación exterior de pararrayos en la edificación. Se hará la evaluación del riesgo en dos variantes, una sin instalar dispositivos de protección contra las sobretensiones (SPDs), y la otra variante con SPDs. IEC CDV Ed. 1

18 Componentes del riesgo a evaluar: R 1 = R B +R U +R V R 4 = R B +R C +R M +R V +R W +R Z Como vamos a evaluar a R 1 solamente, definiremos los componentes del riesgo relacionados con este valor: IEC CDV Ed. 1

19 R B : Componente del riesgo relacionado con el impacto del rayo a la estructura, tiene que ver con el daño físico causado por una chispa peligrosa dentro de la edificación (L1, L2, L3, L4) R U : Componente del riesgo para la edificación debido a un impacto del rayo a un servicio conectado a la misma. Este se relaciona con el daño a los seres vivos causado por la tensión de toque dentro de la edificación, provocada por la corriente del rayo inyectada en la línea que entra a la edificación (L1) IEC CDV Ed. 1

20 R V : Componente del riesgo para la edificación debido a un impacto del rayo a un servicio conectado a la misma. Componente relacionado con el daño físico (fuego o explosión provocados por una chispa entre la instalación externa y partes metálicas generalmente en el punto de entrada de la línea a la edificación) debido a la corriente del rayo transmitida a través de los servicios de entrada (L1, L2, L3, L4) IEC CDV Ed. 1

21 IEC CDV Ed. 1 Datos de la edificación y de los servicios que entran a la misma Datos de la edificación y características

22 Datos y características de las líneas de entrada y los equipos internos IEC CDV Ed. 1

23 IEC CDV Ed. 1

24 IEC CDV Ed. 1

25 IEC CDV Ed. 1

26 IEC CDV Ed. 1

27 Cálculo de los valores a) Cálculo de las áreas equivalentes; b) Cálculo del número esperado de eventos peligrosos; c) Determinación de las pérdidas anuales esperadas; d) Evaluación de los componentes del riesgo y el riesgo total IEC CDV Ed. 1

28 Áreas equivalentes de la estructura y las líneas IEC CDV Ed. 1

29 Número anual esperado de eventos peligrosos IEC CDV Ed. 1

30 Pérdidas anuales esperadas IEC CDV Ed. 1

31 Cálculo del riesgo El riesgo R 1 componentes: se expresa por la siguiente suma de En la siguiente tabla se muestran los componentes involucrados y la evaluación del riesgo total: IEC CDV Ed. 1

32 Evaluación del riesgo IEC CDV Ed. 1

33 Conclusiones de la evaluación de R 1 Debido a que el riesgo R 1 = 3,62 x 10-5 es mayor que el valor del riesgo tolerable R T = 10-5 se requiere protección contra los efectos del rayo. Según el valor obtenido de la evaluación de R B = 0,072 x 10-5 vemos que nuestra decisión de no poner instalación exterior de pararrayos en la edificación fue acertada. Las mayores contribuciones al valor del riesgo están dadas por: R V(Lta) (componente relacionado con la caída del rayo en la línea telefónica aérea) con un 78 %; R V(LE) (componente relacionado con la caída del rayo en la línea de energía, es la suma de las dos secciones) con un 17 %. IEC CDV Ed. 1

34 Para reducir el riesgo R 1 a un valor tolerable, deberán considerarse las medidas de protección que influencian los componentes R V. Las medidas posibles son: a) Instalar SPDs en los puntos de entrada a la edificación en las líneas de energía y telefónica aérea, esto reduce los valores de P U y P V de 1 a 0,03; b) Otra medida podría ser instalar cables apantallados en estos servicios, esto también reduce los valores de P U y P V. Nosotros escogimos la variante a) de instalar SPDs en las líneas de entrada, en la siguiente tabla mostramos los nuevos valores de los componentes del riesgo. IEC CDV Ed. 1

35 Reevaluación del riesgo IEC CDV Ed. 1

36 Implantación de las medidas seleccionadas La selección de las medidas a adoptar se hará tomando como base el reporte técnico IEC TR Ed. 1.0:1998. Protección contra el impulso electromagnético generado por el rayo Parte 4: Protección de equipos en edificaciones existentes.

37 Implantación de las medidas seleccionadas Selección del sistema de distribución El sistema de distribución elegido para la instalación es el TN-S cuyas características son: El punto neutro de cada fuente de energía se conecta a tierra de forma sólida. Todas las partes conductoras accesibles de la instalación y de los receptores están conectadas a esa tierra mediante un conductor de protección (PE). El conductor neutro (N) y el de protección (PE) son independientes en todo el sistema y están conectados entre sí sólo en el origen.

38 Selección de los SPDs a instalar en la entrada de la línea de baja tensión a la edificación Debido a que los componentes del riesgo evaluado por caída del rayo en la línea de energía dan un valor por debajo del permisible (R U(LE) = 0,007 y R V(LE) = 0,605), aún sin instalar los SPDs, y además motivados por razones económicas, decidimos instalar SPDs para la protección contra sobretensiones originadas por caída lejana de rayos o por maniobras en el sistema electroenergético (Clase II), lo cual cumple con lo especificado en la norma IEC La selección de los SPDs se hará según lo especificado en las normas IEC e IEC Más adelante se muestra una sección del diagrama monolineal del panel donde está instalado el SPD, y se dan las características del SPD seleccionado.

39 Forma de conexión La norma establece que, si hay una conexión directa entre el conductor de neutro y el PE en o cerca del origen de la instalación, lo cual es nuestro caso, los SPDs deben conectarse entre cada conductor de línea y la barra principal de tierra, o la barra de PE, cualquiera que sea la ruta más corta. Selección según el nivel de protección (U p ) Según la tabla 44B (IEC ) seleccionamos la sobretensión de categoría III, la tensión soportada por los equipos en esta categoría es de U W = 2,5 kv. Ejemplos de estos equipos son paneles de distribución, interruptores automáticos, cables, interruptores, tomacorrientes, etc. El nivel de protección U p del dispositivo seleccionado deberá ser igual o menor de este valor.

40 Selección según la tensión de operación contínua (U c ) La tensión de operación contínua deberá ser mayor o igual que 1,1U o, siendo U o la tensión de línea a neutro. U c 1,1 x115 V = 126 V Selección según la corriente de descarga (I n ) Esta no deberá ser menor que 5 ka 8/20

41 Selección según la corriente de cortocircuito esperada en el punto de instalación La corriente de cortocircuito en el punto de instalación es < 10 ka. La corriente de cortocircuito soportada por el SPD de conjunto con el dispositivo de sobrecorriente asociado deberá ser igual o mayor que 10 ka. Otras especificaciones Los conductores de conexión del SDP, es decir, los conductores que van desde el conductor de línea al dispositivo de protección por sobrecorriente, de este al SPS, y del SPD al conductor PE o a la barra principal de tierra, deben ser lo más cortos posibles, y en ningún caso deben sobrepasar los 0,5 m.

42 Características del SPD seleccionado

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44 Evaluación de la necesidad de instalar un SPD adicional La norma plantea que, durante la operación del SPD, la tensión entre línea y tierra en el punto de instalación de éste está a un valor aproximado de U p. Si la distancia entre el SPD y los aparatos a proteger es muy grande, se pueden producir fenómenos oscilatorios por la propagación de la onda que lleven la sobretensión en los terminales de los equipos a un valor de 2 x U p. Los aparatos pueden fallar aún cuando el U p seleccionado sea menor que el U W de los equipos. Las oscilaciones pueden despreciarse para distancias menores de 10 m. En nuestra instalación la distancia entre el SPD ubicado en el panel de entrada y los equipos electrónicos a proteger es de 20 m y más, por lo que se decide instalar otro SPD en el panel secundario que alimenta propiamente a estos equipos (computadoras, etc).

45 Características del SPD seleccionado

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47 Conclusiones Para la evaluación del riesgo y la selección de las medidas de protección no pueden darse reglas fijas, ninguna instalación se parece a otra, es el proyectista el encargado de evaluar cada caso en particular y tomar las decisiones más adecuadas. Ya existen algunos software s para la evaluación del riesgo, la IEC tiene uno que según sus propias palabras hace una evaluación simplificada cuyos resultados pudieran diferir de los realizados mediante un cálculo detallado.

48 Conocemos también de uno de Schneider Electric, se incluye en el CD, cuyas principales limitaciones son: Hace una evaluación parcial del riesgo, enfocada solamente a la selección de los SPDs; No tiene en cuenta los SPDs de clase I o de primer nivel. La selección de las medidas a implementar en una instalación existente se debe realizar basada en el reporte técnico IEC TR Ed. 1.0:1998. Protección contra el impulso electromagnético generado por el rayo Parte 4: Protección de equipos en edificaciones existentes. Para la selección de los SPDs recomendamos utilizar la IEC , capítulo 534, anexos A, B, C, D; y la IEC , capítulo 443.

49 Muchas gracias