Tercer Encuentro de Diseñadores y Contratistas CENACE-CRE-CFE-AMERIC 2016
SOLUCIÓN DE PROTECIÓN INTEGRAL
José Ordoñez López
DEHN, Protection México S.A de C.V, México, [email protected], Horacio 1840, 6to Piso. Col. Los Morales,
Delegación Miguel Hidalgo CP 11510, México DF
RESUMEN: En los procesos actuales la pérdida de operación de los “ Sistemas de información” ha pasado a ser un reto en las instalaciones industriales, donde cada día los niveles de automatización basados en equipos sensibles se ven sometidos a los efectos producidos por el impulso electromagnético del rayo. El objeto de este trabajo es relacionar las medidas a considerar desde la etapa de diseño, para optimizar las soluciones de una Protección integral.
Palabras Clave: Sobretensión transitoria, Pararrayos, Sistema de puesta a tierra, Supresores de picos
1. INTRODUCCIÓN
El presente trabajo está compuesto por tres módulos básicos para lograr el concepto de Protección integral:
Sistema de puesta a tierra.
Sistema de protección externa contra tormentas eléctricas.
Sistema interno de protección contra tormentas eléctricas
Los actuales procesos de automatización integran cada vez más los protocolos de comunicación y transmisión de señales de voz y datos, que son muy sensibles en su operación a las fluctuaciones de tensión en las redes de alimentación.
En múltiples ocasiones escuchamos que no se brinda un servicio en agencia bancaria, agencia de viajes, incluso se detienen procesos industriales de producción continúa debido a se perdió la comunicación, atribuido a sobretensiones transitorias debido a descargas atmosféricas , siendo esta solo una de las causas.
Para poder garantizar los servicios debemos contar con una adecuada proyección e instalación de las tres etapas antes relacionadas. Sin un adecuado sistema de puesta a tierra y un sistema de
pararrayos que cubra la edificación, así como el empleo de supresores de sobre tensión transitoria para la protección interna será imposible garantizar los mismos.
2. CONTENIDO
2.1 Sistema de Puesta a Tierra
Sistema de Puesta a tierra (SPT): Sistema formado por elementos enterrados en el suelo cuya función es conducir y disipar la corriente de rayo a tierra. Este sistema forma parte del Sistema externo e interno de protección Desde el punto de vista de protección contra tormentas eléctricas debe utilizarse un (SPT) que minimice los potenciales de paso y contacto para reducir los riesgos de electrocución y la formación de arcos entre partes metálicas que pongan en peligro al personal y al equipo en la trayectoria de los conductores de bajada. Elementos que conforman un SPT:
Electrodos de puesta a tierra.
pletinas para unir los electrodos. Conexiones soldables o mecánicas. Registros.
Elementos a considerar en un diseño de SPT:
Estudio de resistividad del terreno. Área disponible.
Aspectos físicos, como obstáculos, presencia de rocas, elementos enterrados que obstruccionen la instalación de los elementos del SPT. La agresividad del suelo sobre los
materiales del SPT
Cálculo del sistema de Puesta a tierra
Las formulas simplificadas para los arreglos de puesta a tierra de acuerdo con [1], [2] y [4] se
muestran en la siguiente tabla:
Figura. 1. Fórmulas de cálculo de resistencia de puesta a tierra.
Unas de las configuraciones que brindan mejores resultados de diseño es la configuración anillo debido a que brinda la posibilidad de tener múltiples puntos de puesta a tierra a lo largo de toda su trayectoria. Veamos un ejemplo:
Figura. 2. Fórmulas de cálculo de resistencia de puesta a tierra en configuración anillo
En donde:
R es la resistencia de puesta a tierra. ρ es la resistividad uniforme equivalente.
Lt es la longitud total del conductor enterrado (horizontal y vertical).
A es el área que forma la malla rectangular que rodea la estructura.
h es la profundidad de enterramiento de los electrodos de puesta a tierra.
Figura. 3. Ejemplo cálculo para nave de 9195.09 m2
Existe gran diversidad de soluciones en el mercado pero todas deben estar sobre la base de la unión equipotencial.
Unión equipotencial (UE) Es aquella unión correspondiente a la parte de un Sistema de protección contra tormentas eléctricas cuyo fin es reducir las diferencias de potencial causadas por la circulación de la corriente de rayo. Como se observa del resultado de cálculo el valor del SPT garantiza los requerimientos normativos tanto para SPT de pararrayos (10) como para SPT de equipos electrónicos sensibles. (Inferior a 5) Es importante señalar que cada día el uso de materiales como el cobre es sustituido por materiales aceptados por la norma [1], [2] y que se muestran en la siguiente figura:
Figura. 4. Materiales permitidos en los SPT según [1]
Es importante señalar que aún subsisten soluciones de SPT con configuraciones diferentes al anillo, pero si es de obligatorio cumplimiento el interconectarlas todas entre sí ya que con esto se logra que todos los SPT estén en el mismo plano equipotencial , evitando la aparición de corrientes circulantes producida por diferencias de potencial entre los sistemas. Esta es la base de la adecuada protección integral.
Figura. 5. Materiales permitidos en los SPT según [2]
Dentro de los materiales alternativos usados en los sistemas de puesta a tierra están el acero galvanizado y el acero inoxidable ambos están normadas sus dimensiones mínimas en las tablas de las figuras 4 y 5, teniendo excelentes comportamientos en la radiación de las corrientes de fallas debido a su mayor área de contacto con el terreno al tener una configuración de solera ó cintilla como la que muestra la figura 6 y 7.
Figura. 6. Uso de solera de acero como conductor de puesta a tierra
El SPT es elemento común de puesta a tierra de todo elemento metálico que pueda ponerse en contacto con energía, ahí la importancia de conectar a tierra estructuras mallas perimetrales, bandejas
metálicas porta cables, tanques metálicos, estatores de motores, plantas de luz [6]
Figura. 7. Unión equipotencial desde barra a la estructura metálica de la nave
Figura. 8. Uso de conductor redondo de aluminio para aterrizar tanques
Figura. 9. Uso de solera, electrodo de profundidad de acero, registros conectados a la estructura de la
edificación
En las fig. 8, 9 y 10 se muestra la conexión equipotencial de todos los elementos metálicos al
sistema de puesta a tierra, como elemento primordial de la adecuada instalación.
Diseño de sistemas externos. Pararrayos El primer paso es la evaluación de riesgo tema que se trata en las referencias [1-2]
Una vez determinado el uso de la protección externa se deberá aplicar el método de la esfera rodante para poder lograr tener le área protegida ante el impacto de descargas atmosféricas.[5]
Fig. 10 Modelación dela protección de una nave por el método de la esfera rodante
Fig. 11 Modelación dela protección de una nave por el método de la esfera rodante
Fig. 12 Instalación de jaula de Faraday
Fig. 13 Instalación de jaula de Faraday
2.2 Sistema de Protección interna. Supresores.
Existen múltiples criterios sobre los daños ocasionados por las sobretensiones transitorias y las causas que la producen. Las más frecuentes son:
Impactos directos o indirectos de descargas atmosféricas.
Arranques de cargas inductivas grandes (climas, sistemas de bombeo etc.)
Conmutaciones de los sistemas de distribución.
Activación de las protecciones.
Conmutación de bancos de capacitores.
Es importante conocer las zonas de protección que se tienen en una edificación, para de esta forma poder seleccionar los supresores que corresponden. Ver figura 15.
Fig. 14 Zonas de protección según [3]
Existen tecnologías que soportan el funcionamiento de los supresores:
Tecnología a gas.
MOV: Varistores de óxido metálico. SAD: Diodos de silicio tipo avalancha. DEHN, desarrollo una tecnología conocida
como vía chispas que revoluciono el concepto de la protección de forma escalonada y coordinada. La clave del éxito en la protección interna es el colocar el tipo de supresor adecuado en cada escalón, por eso en la figura 16 podemos observar como con cortes energéticos parciales en cada punto se puede detener el tsunami de la sobretensión.
Fig. 15 Protección coordinada según [3]
Clasificación de los supresores (DPS)
DPS Clase l: Son descargadores desarrollados para dar protección frente a corrientes de rayo. Se instalan lo más cerca de la acometida en baja tensión.
DPS Clase ll: Son descargadores destinados a la protección de instalaciones y equipos frente a sobretensiones (originadas
por descargas de rayo indirectas, conmutaciones en alta, inducciones…). Se instalan en los cuadros de distribución. DPS Clase lll: Son descargadores de
sobretensiones para protección específica de equipos finales. Se instalan lo más cerca posible del equipo a proteger.
Fig. 17 Protección coordinada según [2], [3]
CONCLUSIONES
El mundo actual ha llegado a elevados niveles de automatización y control de los procesos, eso ha sido debido al elevado nivel de integración de los componentes que conforman controladores, PLC, equipos electrónicos en general. A su vez dichos equipos han pasado a ser extremadamente sensible a las fluctuaciones de tensión en la red, por lo que ya no basta con tener un sistema de puesta a tierra de bajo valor y un sistema externo de pararrayos, sino que debe protegerse los equipos sensibles de las inevitables sobretensiones que se originan en el sistema y que de no ser drenadas a tierra de seguro irán acortando el tiempo de vida útil del equipamiento interrumpiendo incluso el servicio de sistemas vitales.
Todo lo antes mencionado nos llega a poder plantear que LA PROTECCIÓN INTEGRAL formada por:
Sistema de puesta a tierra.
Sistema de protección externa contra tormentas eléctricas.
Sistema interno de protección contra tormentas eléctricas
Son la clave del éxito de una instalación eléctrica como base que permita dar la garantía a los servicios.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 . IEC 62305 part. 1-4 International Electrotechnical Commission “Protection against lightning”
2. NMX-J-549-ANCE 2005, “Sistema de protección contra tormentas eléctricas especificaciones materiales y métodos de medición”.
3. DEHN+SÖHNE-Lightning Protection Guide 3rd updated edition December 2014 Neumarkt. Germany.
4. NOM 001-SEDE 2012 Instalaciones eléctricas utilización.
5. Jose Ordoñez López ¿Estamos preparados para vivir con rayos? Revista Constructor Eléctrico No46 Octubre 2015,México
6. José Ordoñez López El quid de la seguridad Los Sistemas de Puesta a Tierra Revista Constructor Eléctrico No49 Enero 2016,México
SINTESIS CURRICULAR
Nombre: José Ordoñez López
Estudios: Ingeniero Eléctrico graduado 1982, ISPJAE, La Habana, Cuba
Otros estudios: Master Ingeniería Eléctrica 1997, ISPJAE, La Habana, Cuba
Categoría Docente: Profesor Asistente. Correo: [email protected] [email protected]
Dirección: Huatusco 15 int 13, Colonia Roma Sur , Mexico DF, CP 6760
Cel:+52 (1) 5523020147
Universidades donde ha laborado recientemente: Universidad Panamericana Mexico DF. Instituto Tecnológico de Monterrey Campus
Ciudad de México.
Universidad La Salle, campus Ciudad de Mexico
Experiencia Laboral (5 últimos años):
Fábrica de transformadores Electrotécnica S.A de C.V Gerencia de manufactura y procesos tecnológicos n (2005-2007) Empresa Abastecedora de Material Eléctrico S.A de C.V Gerencia Ingeniería (2007- 2010).
Grupo Enertec S.A de C.V Gerencia de Ingeniería. ( 2010-2013)
DEHN Protection México S.A de C.V Director Técnico ( 2013-a la fecha )
