COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA Y PROTECCIÓN CONTRA SOBREVOLTAJES PARA EQUIPO ELECTRÓNICO CONECTADO A INSTALACIONES DE BAJO VOLTAJE 5 MEDIDAS DE PROTECCION CONTRA IMPULSO ELECTROMAGNETICO DEBIDO A DESCARGAS ATMOSFERICAS (PROTECCION SOBRE VOLTAJE) 5.1 CONCEPTO DE ZONAS DE PROTECCION PARA DESCARGAS DISRUPTIVAS ATMOSFERICAS 5.2 SITUACIÓN DE EMC EN CASO DE DESCARGA ATMOSFÉRICA5.3 CONEXIONES EQUIPOTENCIALES Y DE TIERRA 5.3 CONEXIONES EQUIPOTENCIALES Y DE TIERRA 5.4 SELECCIÓN Y COORDINACIÓN DE LOS SPD 5.5 REDUCCIÓN DE LOS EFECTOS INDUCIDOS POR APANTALLAMIENTO, BLINDAJE O ENRUTAMIENTO DE CABLES. BIBLIOGRAFIA Página 1 de 14
5.1 CONCEPTO DE ZONAS DE PROTECCION PARA DESCARGAS DISRUPTIVAS ATMOSFERICAS El volumen a ser protegido de be ser dividido entre zonas de protección contra descargas atmosféricas (LPZ) Las protecciones de los edificios, los salones, apantallados y los dispositivos que usan estructuras metálicas existentes forman las diferentes zonas de protección están caracterizadas por cambios significativos en las condiciones electromagnéticas de sus fronteras. Las zonas de protección contra descargas atmosféricas (LPZ) están definidas: LPZ0 A : Zona donde el equipo esta sujeto a descargas atmosféricas directas, y es por esto que puede haber corriente total de descarga atmosférica. Los campos electromagnéticos no atenuados ocurren en esta zona. LPZ0 B : En esta zona el equipo no esta sujeto a descargas atmosféricas directas pero existen campos electromagnéticos sin atenuar. LPZ1: En esta zona es donde se encuentra el equipo que no esta sujeto a descargas atmosféricas directas y donde pueden ocurrir corrientes reducidas en todas las partes conductivas de la zona, es por eso que pueden existir corrientes con la máxima corriente de la descarga en esta zona el campo electromagnético puede ser atenuado dependiendo de las medidas de protección y apantallamiento. Zonas subsecuentes (LPZ2, etc): Si se requiere una reducción de las corrientes o de los campos electromagnéticos se deben introducir las zonas subsecuentes, los requerimientos para estas zonas deben ser seleccionados de acuerdo a los requerimientos ambientales de la zona y el sistema que debe ser protegido. En general entre mas alto sea el número de zonas mas bajos serán los parámetros electromagnéticos del ambiente. Las fronteras entre las zonas externas LPZ0 A y LPZ0 B son determinadas por el método de la esfera rodante o ángulos protectivos del sistema de protección contra descargas(lps). El numero de la calidad de las zonas externas es LPZ1 y las zonas siguientes debe ser establecido de acuerdo a la fuente correspondiente de interferencia debida a descargas atmosféricas fijados con el nivel de protección y de acuerdo con los niveles de inmunidad d los equipos electrónicos o sistemas respecto a las fuentes de descargas Página 2 de 14
Concepto zonas de protección contra las descargas atmosféricas (LPZ0, LPZ1 Y LPZ2); S 0/1,S 1/2,S 2/3 -LPZ Fronteras (Apantallaminetos); EB- Contacto equipotencial- Directo o vía SPD (Dispositivo de protección contra sobretensiones) 5.2 SITUACIÓN DE EMC EN CASO DE DESCARGA ATMOSFÉRICA La situación real de compatibilidad electromagnética debe ser considerada también cuando hay descargas en la estructura con las zonas de protección contra descargas atmosféricas como se muestra en la figura siguiente. Los equipos electrónicos sensibles(por ejemplo sistemas de información) instalados dentro LPZ2. La fuente primaria de interferencia electromagnética de los equipos electrónicos es la corriente de descarga i 0 y el campo magnético H 0 a lo largo de las líneas entrantes o servicios fluyen corrientes parciales del tipo i i : Las corrientes i 0 e i i así como los campos magnéticos H 0 tienen la misma forma de onda. De acuerdo a la IEC 61312 la corriente la primera descarga atmosférica es considerada 10/350ìs y las descargas subsecuentes 0.25/100 ìs. La corriente de la primera descarga i f genera campo magnético Hf y la corriente subsecuente genera campo magnético H s. El periodo de subida de H f puede ser caracterizado por un campo oscilante amortiguado de 25KHz con un tiempo de subida al valor máximo T p/f de 10 ìs. De la misma manera el campo oscilante amortiguado de 1 MHZ puede caracterizar el periodo de subida de Hs con un tiempo de llegada al valor máximo T p/f de 0.25 ìs Página 3 de 14
Con la instalación de las LPZ (zonas de protección contra descargas atmosféricas) sus pantallas electromagnéticas y SPD a las interfases de las LPZs, el efecto original de la descarga definido por H 0, i 0 e i i son reducidos a nivel de inmunidad del equipo instalado en el ambiente electromagnético real. Como se muestra en la figura 11, el equipo sensible debe aguantar el campo magnético circundante H 2 y conducir los transitorios de la descarga u 2 y i 2 respectivamente. 5.3 CONEXIONES EQUIPOTENCIALES Y DE TIERRA El propósito principal de las conexiones es eliminar diferencias de potencial peligrosas entre cualquier equipo dentro y sobre la estructura, además reducir el campo magnético dentro de la misma. Esta tarea es realizada por medio de puntos de conexión múltiple de todos los componentes metálicos, dentro y sobre la estructura llegando a una red tridimensional, enmallada y conectada. La equipotencilización en la estructura es alcanzada por medio de conductores conectados o SPDs conectando los sistemas de protección contra descargas atmosféricas, marcos metálicos de la estructura, instalaciones metálicas, partes conductivas la parte exterior e instalaciones eléctricas y de telecomunicaciones dentro del espacio que debe ser protegido. Página 4 de 14
Arreglo de conexiones de partes conductivas y una barra conectada a la terminación del sistema de tierras Red de conexiones de instalaciones metálicas en la estructura Las barras de conexión deben ser instaladas para la integración de las cajas, perchas cajas de equipos eléctrónicos y eléctricos, a la red de conexión y para servicios de protección, líneas eléctricas y de información y cables en las fronteras de las LPZ. Los sistemas de información deben estar conectados en configuración de malla o en configuración de punto estrella star point. La red de conexión debe estar conectada al sistema de puesta a tierra, y así completar el sistema de tierra. Página 5 de 14
Redes de conexión a) malla b) configuración estrella Ats sistema de terminación de aire, bb- barra de conexión, bc cable de conexión, dcs- cable conductor bajante, ec conductor de tierra, ecp, -parte conductiva externa, el línea eléctrica, erp- punto de referencia a tierra, etssistema de puesta a tierra, fe- equipo eléctrico (clase II, no conductor PE), illínea de señal, lbb- barra de conexión local,- mbc- configuración de conexión malla, mc componente metálica, met- terminal equipotencial principal, mp tubo metálico, sbc- configuración de conexión estrella, SPDs 5.4 SELECCIÓN Y COORDINACIÓN DE LOS SPD Una descarga directa a la estructura (impulsos de corriente de alta energía) no puede ser reducida al nivel en el cual es compatible con la inmunidad de impulsos de equipos terminales, cuando se usa solamente un dispositivo de protección (SPD). Los sistemas de protección tienen que estar instalados para reducir los sobrevoltajes de descargas atmosféricas en cascadas coordinadas de protección, paso a paso. Cuatro variantes de protección pueden ser consideradas para los sistemas de protección. Las primeras tres están basadas en tecnologías actuales para SPDs de un puerto. La cuarta variante es para SPDs de dos puertos con elementos de desacoplamiento integrados. Página 6 de 14
Variante I todos los SPDs tienen características monotónicas de corriente/voltaje, así como los varistores y diodos, los cuales están seleccionados para tener el mismo voltaje residual U c Principio de coordinación para la variante I Variante II Todos los SPDs tienen características monótonas de voltaje y corriente, así como los varistores y los diodos, están seleccionados para tener un voltaje residual U c el cual se incrementa paulatinamente desde el primer SPD hasta los subsecuentes. Esta es la variante de coordinación para los sistemas de potencia. Principio de coordinación para la variante II Variante III (combinación híbrida), el primer SPD (upstream) incluye una componente con una característica de corriente/voltaje discontinua (SPD de switcheo de tipo SPD spark gap ) el cual reduce el tiempo a la mitad del valor del impulso e corriente incidente y brinda un alivio considerable a los SPDs después de la cadena. Principio de coordinación para la variante III Variante IV (elemento integral de desacoplamiento) un SPD de dos puertos que incorporó unas etapas en cascada de SPDs internamente coordinados con Página 7 de 14
impedancias en serie o filtro. La exitosa la coordinación interna implica una mínimo transferencia de energía a los siguientes SPDs o equipo. Principio de coordinación para la variante VI; Z- elemento de desacople. Condiciones de acción efectiva de los SPD s: La menor impedancia posible de los conductores conectados a los SPDs con redes de conexión y sistemas de puesta a tierra, especialmente conductores conectados con los SPD con barras equpotenciales tan cortas como sean posibles; la caída de voltaje a lo largo de los conductores que hacen las conexiones, debe ser coordinada para resistir los voltajes del equipo protegido. El primer SPD localizado entre la zona de protección LPZ 0 A y LPZ 1 debe conducir al electrodo de tierra la mayor parte de la corriente de descarga atmosférica Las SPD subsiguientes deben conducir solo una menor parte de la corriente tipo rayo entrante a la zona de protección 1, y limitar los sobrevoltajes inducidos sobre esta zona; los parámetros de salida de los anteriores SPD (upstream)- el voltaje y la corriente residual deben corresponder a formas de onda de 1.2/50 y 8/20 ìs respectivamente. Y deben ser compatibles con los parámetros de entrada del siguiente SPD o con los niveles de aguante del dispositivo protegido. La instalación y selección de los SPD está estrictamente conectada con los requerimientos generales de impulsos para intalaciones eléctricas que alimentan equipos sensibles, la siguiente tabla está tomada de la publicación IEC 364-4-443. Categoría de soporte I (withstand category) Equipo especialmente protegido por ejemplo equipo electrónico- Categoría de soporte II (withstand category) aplicaciones típicas eléctricas, electrodomésticos, herramientas eléctricas móviles etc. Página 8 de 14
Categoría de soporte III (withstand category) equipos industrials permanentemente conectados a la red principal, equipo de distribución y circuitos finales. Categoría de soporte I (withstand category) - equipo en el inicio de la instalación, medidores de energía, relés primarios etc. La selección de los SPDs depende de la distribución de la corriente de rayo en un sistema a proteger y la influencia del cable de suministro, transformadores, sistemas de tierra y cargas en paralelo. En un edificio la cantidad de I M puede llegar al 50% pero en edificios paralelos podría alcanzar hasta el 70% Una distribución simplificada de la corriente de rayo en un edificio entre diferentes instalaciones puede ser, como se muestra en la figura: Distribución aproximada de la corriente de rayo entre servicios de la estructura Parte de la corriente de rayo en sistemas de bajo voltaje puede ser estimada utilizando las siguientes ecuaciones: Con condición R E,ex R E.G donde; I L es la corriente de rayo, I M Corriente en el sistema de bajo voltaje (principal), R E,ex resistencia de las cargas en el sistema externo de tierras, R E.G resistencia del sistema de tierra de la estructura del edificio, R EN.resistencia del sistema de tierra del neutro del transformador, R E.m resistencia del sistema de tierra el edificio vecino (cargas) Página 9 de 14
Reglas de coordinación de energía de los SPDs Reglas de coordinación de energía de los SPDs se describen como siguen: En el caso que aumente la energía adecuada a la energía más baja que el máximo soportable por la SPD1 (W1), la energía disipada (acumulada) por SPD2 debe ser más baja que el máximo de energía soportado por SPD2 (W2 máximo) Caso (a) de conexión de SPD: - Los varistors absorben la energía total en el momento de la descarga gap sparkover - El spark gap absorbe generalmente toda la energía en el momento de la descarga sparkover - El sparkover de SPD1 tiene que ocurrir antes de que alcance la zona muerta (ocasionaría daños al varistor) - El sparkover de SPD1 ocurre cuando la sumatoria de caídas de voltajes en el varistor (SPD2) y el elemento de desacople (DE) son más altos que el voltaje disruptivo de spark over Página 10 de 14
- La forma de onda de la sobre corriente es importante (10/350ìs, 8/20 ìs) Caso (b) de conexión de SPD - el exceso de energía es distribuído entre dos varistores pero, debido a la acción del elemento de desacople, gran parte de la energía es asociada al SPD1 - En cualquiera de los varistores no será excedida la máxima energía absorbida (W1 max y W2 max) La acción efectiva de los SPDs también requiere sus propias conexiones a la instalación o circuito: - selección propia y coordinación - conexión mediante conectores lo más cortos posibles para reducir las caídas de voltaje. - Usando conexión tipo V - Impedancias de cables conectores tan bajas como sea posible. Voltaje entre conductores vivos y la barra equipotencial; SPD Dispositovo de protección, u A voltaje residual de SPD, u L caída de voltaje inductivo, u max máximo valor de sobrevoltaje entre el conductor vivo y la barra equipotencial, i- corriente parcial de rayo, equipo protegido. 5.5 REDUCCIÓN DE LOS EFECTOS INDUCIDOS POR APANTALLAMIENTO, BLINDAJE O ENRUTAMIENTO DE CABLES. Las medidas básicas para reducir la interferencia electromagnética en una estructura con equipo sensible son: - Protección externa - Adecuado enrutamiento de cables y conductores - Apantallamiento de líneas y cables Para mejorar el medio ambiente electromagnético, todas las partes metálicas de dimensiones significativas asociadas con la estructura se unirán juntas a la LPS. La protección ectiva puede ser logrado con refuerzos de acero y fachadas metálicas, refuerzo metálico del concreto y marcos metálicos para LPZ1 y estantes blindados para equipo electrónico de alta sensibilidad en la zona LPZ2. Página 11 de 14
Ejemplo de protección natural y red de conexión 1: -sistema de terminación de aire, 2- elementos metálico de construcción, 3- refuerzos metálicos, 4- uniones, 5- barra de conexión, 6- sistema de conexión a tierra (electrodo en anillo, fundaciones), 7- equipo eléctrico, 8- entrada de instalaciones (servicios). Equipo de protección con una Jaula de Faraday creado por una LPS externa del edificio, puede ser analizado en caso de una descarga atmosférica cercana o directa. En caso de ser una descarga cercana donde: d>3h (d distancia del canal de descarga al objeto, h- altura del objeto) el campo electromagnético puede ser asumido como uniforme. La zona LPZ1 está protegida con la eficiencia de: Donde: H intensidad de campo magnético en un volumen sin protección, Hf intensidad de campo magnético en un volumen con protección. Ejemplo: si el diámetro del cable de protección de una caja es ö= 2.5 cm y la distancia w= 40 cm, la efectividad el apantallamiento está dada por S f(db) 25 db Para una descarga directa en la caja tipo LPS la distribución de campo es no uniforme ( por ejemplo como se ve en la figura siguiente para H=240 A/m) Página 12 de 14
Ejemplo: a) protección tipo caja, b) volumen de protección V que contiene un equipo sensible, c) distribución de campo; w- distancia entre los componentes de protección, d- distancia entre el volumen protegido de las paredes. En algunos casos las protecciones de caja no son suficientemente efectivas, se necesita una protección adicional en cuartos, equipos, cables y dispositivos que deben estar de acuerdo a las propiedades individuales de los objetos y requerimientos. Los cables se extienden entre estructuras separadas se pondrán dentro de ductos separados, como tuberías de metal, mallas o refuerzos de concreto de tipo malla, en los cuales estos están de fin a fin y conectados al barraje equipotencial de estructuras separadas. Los ductos de cable metálicos pueden ser evitados si el cable es apantallado es capaz de transportar la corriente de rayo. 1- lazo inductivo, 2- línea de telecomunicación, 3- línea de potencia, 4- carcaza metálica, 5- apantallamiento de cableado, 6) LPS (tipo jaula) Medidas de protección y enrutamiento: a) sistema sin protección, b)- reducción de efectos inducidos debido a protecciones externas y enrutamiento conveniente. C) reducción de efectos inducidos por apantallamiento del cable. Página 13 de 14
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