Protección Sobrevoltajes de Equipo Electrónico

III SIPAT. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA NOV. 22-24 de 2001 5 MEDIDAS DE PROTECCION CONTRA IMPULSO ELECTROMAGNETICO DEBIDO A

DESCARGAS ATMOSFERICAS (PROTECCION SOBRE VOLTAJE)

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COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNTICA Y PROTECCIN CONTRA SOBREVOLTAJES PARA

EQUIPO ELECTRNICO 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 SITUACIN DE EMC EN CASO DE DESCARGA ATMOSFRICA5.3 CONEXIONES EQUIPOTENCIALES Y DE TIERRA 5.3 CONEXIONES EQUIPOTENCIALES Y DE TIERRA 5.4 SELECCIN Y COORDINACIN DE LOS SPD 5.5 REDUCCIN DE LOS EFECTOS INDUCIDOS POR APANTALLAMIENTO, BLINDAJE O ENRUTAMIENTO DE CABLES. BIBLIOGRAFIA



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5.1 CONCEPTO DE ZONAS DE PROTECCION PARA DESCARGAS DISRUPTIVAS ATMOSFERICAS El volumen a ser protegido de be ser dividido entre zonas de proteccin contra descargas atmosfricas (LPZ) Las protecciones de los edificios, los salones, apantallados y los dispositivos que usan estructuras metlicas existentes forman las diferentes zonas de proteccin estn caracterizadas por cambios significativos en las condiciones electromagnticas de sus fronteras. Las zonas de proteccin contra descargas atmosfricas (LPZ) estn definidas: LPZ0A: Zona donde el equipo esta sujeto a descargas atmosfricas directas, y es por esto que puede haber corriente total de descarga atmosfrica. Los campos electromagnticos no atenuados ocurren en esta zona. LPZ0B: En esta zona el equipo no esta sujeto a descargas atmosfricas directas pero existen campos electromagnticos sin atenuar. LPZ1: En esta zona es donde se encuentra el equipo que no esta sujeto a descargas atmosfricas directas y donde pueden ocurrir corrientes reducidas en todas las partes conductivas de la zona, es por eso que pueden existir corrientes con la mxima corriente de la descarga en esta zona el campo electromagntico puede ser atenuado dependiendo de las medidas de proteccin y apantallamiento. Zonas subsecuentes (LPZ2, etc): Si se requiere una reduccin de las corrientes o de los campos electromagnticos 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 nmero de zonas mas bajos sern los parmetros electromagnticos del ambiente. Las fronteras entre las zonas externas LPZ0A y LPZ0B son determinadas por el mtodo de la esfera rodante o ngulos protectivos del sistema de proteccin 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 atmosfricas fijados con el nivel de proteccin y de acuerdo con los niveles de inmunidad d los equipos electrnicos o sistemas respecto a las fuentes de descargas



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Concepto zonas de proteccin contra las descargas atmosfricas (LPZ0, LPZ1 Y LPZ2); S0/1,S1/2,S2/3-LPZ Fronteras (Apantallaminetos); EB- Contacto equipotencial- Directo o va SPD (Dispositivo de proteccin contra sobretensiones) 5.2 SITUACIN DE EMC EN CASO DE DESCARGA ATMOSFRICA La situacin real de compatibilidad electromagntica debe ser considerada tambin cuando hay descargas en la estructura con las zonas de proteccin contra descargas atmosfricas como se muestra en la figura siguiente. Los equipos electrnicos sensibles(por ejemplo sistemas de informacin) instalados dentro LPZ2. La fuente primaria de interferencia electromagntica de los equipos electrnicos es la corriente de descarga i0 y el campo magntico H0 a lo largo de las lneas entrantes o servicios fluyen corrientes parciales del tipo ii: Las corrientes i0 e ii as como los campos magnticos H0 tienen la misma forma de onda. De acuerdo a la IEC 61312 la corriente la primera descarga atmosfrica es considerada 10/350s y las descargas subsecuentes 0.25/100 s. La corriente de la primera descarga if genera campo magntico Hf y la corriente subsecuente genera campo magntico Hs. El periodo de subida de Hf puede ser caracterizado por un campo oscilante amortiguado de 25KHz con un tiempo de subida al valor mximo Tp/f de 10 s. 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 mximo Tp/f de 0.25 s



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Con la instalacin de las LPZ (zonas de proteccin contra descargas atmosfricas) sus pantallas electromagnticas y SPD a las interfases de las LPZs, el efecto original de la descarga definido por H0 , i0 e ii son reducidos a nivel de inmunidad del equipo instalado en el ambiente electromagntico real. Como se muestra en la figura 11, el equipo sensible debe aguantar el campo magntico circundante H2 y conducir los transitorios de la descarga u2 y i2 respectivamente. 5.3 CONEXIONES EQUIPOTENCIALES Y DE TIERRA El propsito principal de las conexiones es eliminar diferencias de potencial peligrosas entre cualquier equipo dentro y sobre la estructura, adems reducir el campo magntico dentro de la misma. Esta tarea es realizada por medio de puntos de conexin mltiple de todos los componentes metlicos, dentro y sobre la estructura llegando a una red tridimensional, enmallada y conectada. La equipotencilizacin en la estructura es alcanzada por medio de conductores conectados o SPDs conectando los sistemas de proteccin contra descargas atmosfricas, marcos metlicos de la estructura, instalaciones metlicas, partes conductivas la parte exterior e instalaciones elctricas y de telecomunicaciones dentro del espacio que debe ser protegido.



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Arreglo de conexiones de partes conductivas y una barra conectada a la

terminacin del sistema de tierras

Red de conexiones de instalaciones metlicas en la estructura

Las barras de conexin deben ser instaladas para la integracin de las cajas, perchas cajas de equipos elctrnicos y elctricos, a la red de conexin y para servicios de proteccin, lneas elctricas y de informacin y cables en las fronteras de las LPZ. Los sistemas de informacin deben estar conectados en configuracin de malla o en configuracin de punto estrella star point. La red de conexin debe estar conectada al sistema de puesta a tierra, y as completar el sistema de tierra.



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Redes de conexin a) malla b) configuracin estrella

Ats sistema de terminacin de aire, bb- barra de conexin, bc cable de conexin, dcs- cable conductor bajante, ec conductor de tierra, ecp, -parte conductiva externa, el lnea elctrica, erp- punto de referencia a tierra, ets- sistema de puesta a tierra, fe- equipo elctrico (clase II, no conductor PE), il- lnea de seal, lbb- barra de conexin local,- mbc- configuracin de conexin malla, mc componente metlica, met- terminal equipotencial principal, mp tubo metlico, sbc- configuracin de conexin estrella, SPDs

5.4 SELECCIN Y COORDINACIN DE LOS SPD

Una descarga directa a la estructura (impulsos de corriente de alta energa) 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 proteccin (SPD). Los sistemas de proteccin tienen que estar instalados para reducir los sobrevoltajes de descargas atmosfricas en cascadas coordinadas de proteccin, paso a paso. Cuatro variantes de proteccin pueden ser consideradas para los sistemas de proteccin. Las primeras tres estn basadas en tecnologas actuales para SPDs de un puerto. La cuarta variante es para SPDs de dos puertos con elementos de desacoplamiento integrados.



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Variante I todos los SPDs tienen caractersticas monotnicas de corriente/voltaje, as como los varistores y diodos, los cuales estn seleccionados para tener el mismo voltaje residual Uc

Principio de coordinacin para la variante I

Variante II Todos los SPDs tienen caractersticas montonas de voltaje y corriente, as como los varistores y los diodos, estn seleccionados para tener un voltaje residual Uc el cual se incrementa paulatinamente desde el primer SPD hasta los subsecuentes. Esta es la variante de coordinacin para los sistemas de potencia.

Principio de coordinacin para la variante II

Variante III (combinacin hbrida), el primer SPD (upstream) incluye una componente con una caracterstica 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 despus de la cadena.

Principio de coordinacin para la variante III

Variante IV (elemento integral de desacoplamiento) un SPD de dos puertos que incorpor unas etapas en cascada de SPDs internamente coordinados con



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impedancias en serie o filtro. La exitosa la coordinacin interna implica una mnimo transferencia de energa a los siguientes SPDs o equipo.

Principio de coordinacin para la variante VI; Z- elemento de desacople.

Condiciones de accin efectiva de los SPDs:

La menor impedancia posible de los conductores conectados a los SPDs con redes de conexin y sistemas de puesta a tierra, especialmente conductores conectados con los SPD con barras equpotenciales tan cortas como sean posibles; la cada 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 proteccin LPZ 0A y LPZ 1 debe conducir al electrodo de tierra la mayor parte de la corriente de descarga atmosfrica

Las SPD subsiguientes deben conducir solo una menor parte de la corriente tipo rayo entrante a la zona de proteccin 1, y limitar los sobrevoltajes inducidos sobre esta zona; los parmetros 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 s respectivamente. Y deben ser compatibles con los parmetros de entrada del siguiente SPD o con los niveles de aguante del dispositivo protegido.

La instalacin y seleccin de los SPD est estrictamente conectada con los requerimientos generales de impulsos para intalaciones elctricas que alimentan equipos sensibles, la siguiente tabla est tomada de la publicacin IEC 364-4-443.

Categora de soporte I (withstand category) Equipo especialmente protegido por ejemplo equipo electrnico- Categora de soporte II (withstand category) aplicaciones tpicas elctricas, electrodomsticos, herramientas elctricas mviles etc.



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Categora de soporte III (withstand category) equipos industrials permanentemente conectados a la red principal, equipo de distribucin y circuitos finales. Categora de soporte I (withstand category) - equipo en el inicio de la instalacin, medidores de energa, rels primarios etc. La seleccin de los SPDs depende de la distribucin 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 IM puede llegar al 50% pero en edificios paralelos podra alcanzar hasta el 70% Una distribucin simplificada de la corriente de rayo en un edificio entre diferentes instalaciones puede ser, como se muestra en la figura:

Distribucin 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 condicin RE,ex RE.G

donde; IL es la corriente de rayo, IM Corriente en el sistema de bajo voltaje (principal), RE,ex resistencia de las cargas en el sistema externo de tierras, RE.G resistencia del sistema de tierra de la estructura del edificio, REN .resistencia del sistema de tierra del neutro del transformador, RE.m resistencia del sistema de tierra el edificio vecino (cargas)



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Reglas de coordinacin de energa de los SPDs

Reglas de coordinacin de energa de los SPDs se describen como siguen: En el caso que aumente la energa adecuada a la energa ms baja que el mximo soportable por la SPD1 (W1), la energa disipada (acumulada) por SPD2 debe ser ms baja que el mximo de energa soportado por SPD2 (W2 mximo) Caso (a) de conexin de SPD:

- Los varistors absorben la energa total en el momento de la descarga gap sparkover

- El spark gap absorbe generalmente toda la energa en el momento de la descarga sparkover

- El sparkover de SPD1 tiene que ocurrir antes de que alcance la zona muerta (ocasionara daos al varistor)

- El sparkover de SPD1 ocurre cuando la sumatoria de cadas de voltajes en el varistor (SPD2) y el elemento de desacople (DE) son ms altos que el voltaje disruptivo de spark over



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- La forma de onda de la sobre corriente es importante (10/350s, 8/20 s)

Caso (b) de conexin de SPD - el exceso de energa es distribudo entre dos varistores pero,

debido a la accin del elemento de desacople, gran parte de la energa es asociada al SPD1

- En cualquiera de los varistores no ser excedida la mxima energa absorbida (W1 max y W2 max)

La accin efectiva de los SPDs tambin requiere sus propias conexiones a la instalacin o circuito:

- seleccin propia y coordinacin - conexin mediante conectores lo ms cortos posibles para reducir

las cadas de voltaje. - Usando conexin tipo V - Impedancias de cables conectores tan bajas como sea posible.

Voltaje entre conductores vivos y la barra equipotencial; SPD Dispositovo de proteccin, uA voltaje residual de SPD, uL cada de voltaje inductivo, umax mximo valor de sobrevoltaje entre el conductor vivo y la barra equipotencial, i- corriente parcial de rayo, equipo protegido. 5.5 REDUCCIN DE LOS EFECTOS INDUCIDOS POR APANTALLAMIENTO, BLINDAJE O ENRUTAMIENTO DE CABLES. Las medidas bsicas para reducir la interferencia electromagntica en una estructura con equipo sensible son:

- Proteccin externa - Adecuado enrutamiento de cables y conductores - Apantallamiento de lneas y cables

Para mejorar el medio ambiente electromagntico, todas las partes metlicas de dimensiones significativas asociadas con la estructura se unirn juntas a la LPS. La proteccin ectiva puede ser logrado con refuerzos de acero y fachadas metlicas, refuerzo metlico del concreto y marcos metlicos para LPZ1 y estantes blindados para equipo electrnico de alta sensibilidad en la zona LPZ2.



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Ejemplo de proteccin natural y red de conexin 1: -sistema de terminacin de aire, 2- elementos metlico de construccin, 3- refuerzos metlicos, 4- uniones,

5- barra de conexin, 6- sistema de conexin a tierra (electrodo en anillo, fundaciones), 7- equipo elctrico, 8- entrada de instalaciones (servicios).

Equipo de proteccin con una Jaula de Faraday creado por una LPS externa del edificio, puede ser analizado en caso de una descarga atmosfrica 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 electromagntico puede ser asumido como uniforme. La zona LPZ1 est protegida con la eficiencia de:

Donde: H intensidad de campo magntico en un volumen sin proteccin, Hf intensidad de campo magntico en un volumen con proteccin. Ejemplo: si el dimetro del cable de proteccin de una caja es = 2.5 cm y la distancia w= 40 cm, la efectividad el apantallamiento est dada por Sf(dB) 25 dB Para una descarga directa en la caja tipo LPS la distribucin de campo es no uniforme ( por ejemplo como se ve en la figura siguiente para H=240 A/m)



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Ejemplo: a) proteccin tipo caja , b) volumen de proteccin V que contiene un equipo sensible, c) distribucin de campo; w- distancia entre los componentes

de proteccin, d- distancia entre el volumen protegido de las paredes.

En algunos casos las protecciones de caja no son suficientemente efectivas , se necesita una proteccin 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 pondrn dentro de ductos separados, como tuberas de metal, mallas o refuerzos de concreto de tipo malla, en los cuales estos estn de fin a fin y conectados al barraje equipotencial de estructuras separadas. Los ductos de cable metlicos pueden ser evitados si el cable es apantallado es capaz de transportar la corriente de rayo.

1- lazo inductivo, 2- lnea de telecomunicacin, 3- lnea de potencia, 4- carcaza metlica, 5- apantallamiento de cableado, 6) LPS (tipo jaula)

Medidas de proteccin y enrutamiento: a) sistema sin proteccin, b)- reduccin de efectos inducidos debido a protecciones externas y enrutamiento conveniente. C) reduccin de efectos inducidos por apantallamiento del cable.



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