Protegiendo equipos de descargas eléctricas y variaciones de voltaje

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El proteger a los equipos en instalaciones de posibles descargas eléctricas o rayos deberá ser una prioridad. Una descarga provocada por un rayo puede generrar corrientes entre 10,000 a 50,000 amperes con un incremento del 10% al 90% entre 1 y 10 microsegundos. Estas variaciones de voltaje son generalmente determinadas más por la reactancia inductiva que por la resistencia de la Corriente Directa (D.C. en inglés) al camino de la descarga eléctrica en búsqueda de tierra. Para proteger los equipos y cualquier criatura viva, debemos asegurarnos de evitar que ellos se conviertan en un elemento conductivo para las descargas eléctricas, esto lo hacemos manteniendo sus alrededores el mismo potencial eléctrico.

Un acercamiento de ingeniería holístico para lograr esto en una instalación en específico, consistirá en seguir los siguientes pasos:

  1. Identificar las zonas que queremos proteger.
  1. Especificar los elementos que se quieren proteger dentro de la zona designada de protección, y cuantificar el nivel de protección deseado para cada elemento.
  1. Identificar todos los posibles caminos o vías por las cúales las descargas eléctricas peligrosas podrían encontrar su camino para entrar a la zona de protección. Estos caminos o vpias generalemente incluyen:
    1. Descargas directas: hay que capturar a estas, y desviarlas hacia la tierra.
    2. Variaciones en la Corriente Alterna (A.C. en inglés) en las líneas eléctricas: instalar reguladores de voltaje (SPD - dispositivos de protección contra sobretensiones) para desviar las variacioens de corriente hacia la tierra, se pueden utilizar diferentes niveles de protección para alcanzar el nivel específico de protección.
    3. Variaciones en cableado de datos, cables de comunicaciones y controladores: instalar reguladores de voltaje (SPD - dispositivos de protección contra sobretensiones) para desviar las variacioens de corriente hacia la tierra, se pueden utilizar diferentes niveles de protección para alcanzar el nivel específico de protección.
    4. Corrientes volátiles en la tierra: instalar un anillo conductivo equipotencial debajo del grado alrededor del edificio, unido al sistema de tierra.
    5. El acoplamiento inductivo de corrientes de rayos: Este es más que nada un problema para los cables y equipos montados en la torre cuando la torre recibe una descarga eléctrica por un rayo. Agrupar todos los cables y conectores que van a la torre, juntarlos en ambos extremos y hasta 20 m a lo largo de l atorre, ya sea directamente (utilizando protectores de cable coaxial que los conecten a la tierra) o utilizando dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD, Surge Protective Device en inglés)
    6. Acoplamiento de capacitores: Este es un problema muy extremo separado de nosotros.
    7. Diseñar un sistema de tierra adecuado que absorba la potencia de descargas eléctricas así como las variaciones de voltaje.
    8. Juntar todas las tierras.
    9. Instalar dispositivos de protección contra descargas eléctricas.
    10. Monitorear y mantener el sistema de protección.

El sistema para conectar con la tierra es el principal para cualquier plan para lidiar contra descargas eléctricas, similar al rol que tiene el sistema de drenaje en contra de tsunamis. Debemos hacer todo lo que este en nuestras manos para minimizar al mismo tiempo la magnitud y duración de la diferencia de voltaje causada por el flujo de electrones, esto se logra al proveer un camino de baja inductancia hacia la tierra para la corriente eléctrica. Una vez relizado esto, debemos diseñar una forma para mantener lo que quede de esta corriente eléctrica lejos de dañar nuestros equipos. Baja inductancia es la clave: un par de varillas enterradas profundamente en la tierra, conectadas por medio metro o más de alambre de uso rudo deberían ser una tierra adecuada para un sistema de distribución de 60 Hz, pero no para 20kA causada por una descarga eléctrica de un rayo, con la mayoría de su energía concentrada entre decenas y cientos de kilohertz. Para esto se necesitará un sistema de baja inductancia de múltiples radiales con múltiples varillas enterradas en la tierra distribuidas alrededor.

Las torres son estructuras con tierra de alguna forma más altas que el terreno que las rodea, y estas por su naturaleza al ser puntos más altos que el resto del terreno, atraen rayos y descargas eléctricas. Torres con una altura mayor a 100m pueden de hecho estar en un riesgo mayor, pero nosotros no deberíamos estar preocupados en las comunidades donde existe el sistema de telefonía comunitaria, ya que la mayoría de las torres y mástiles tienen una altura entre 10m y 20m. De acuerdo a las fórmulas en [1] (Vol. 1, 3.5.1), el radio de atracción de una estructura conductiva de una altura mayor a 20m es alrededor de 124m, correspondiendo a un área de atracción de .048 km^2. En nuestra latitud de 17 grados al Norte de Oaxaca, podríamos esperar un 13% de destellos de rayos que vayan desde las nubes hasta la tierra. Suponiendo que la densidad de un destello de 20 destellos de rayos por km^2 por año, podríamos esperar que nuestras torres de 20m reciban una descarga directa por rayo una vez cada 8 años. La torre misma debería estar siempre conectada a un sistema de baja inductancia conectada a la tierra. Para prevenir fuegos, cada uno de los cables deberá mantenerse cerca a la torre sujetandolo en cada una de sus terminales y en segmentos de cada 20m, ya sea a través de materiales protectores y aislantes o tierra, o a través de dispositivos de protección contra sobretensiones.

Los cables que estén conectadosa una torre que necesiten estar dentro de un edificio deberán hacerlo entrenado a través de un panel de metal pegado lo más que se pueda a la tierra. Esta panel de entrada deberá estar conectado al anillo de equipotencialidad del edificio exactamente en el lugar con la inductancia más baja que sea posible, usualmente a través de un alambre de uso rudo de cobre. Este panel idealmente servirá como el único punto de tierra del edificio. Los dispositivos de supresión de descargas eléctricas para todos los cables que entren al edificio, deberán ser colocados en este punto.

En la mayoría de las instalaciones, las variaciones de voltaje provenientes de la corriente A.C. de los cables de tensión son mucho más comunes, que la posibilidad de que una torre sea alcanzada por una rayo, o que este rayo caiga en el edificio. Por lo tanto este problema debe ser resuelto de forma más urgente. Los dispositivos de protección contra sobretensiones, deberán ser instalados como una forma de defensa profunda para cualquier equipo que queramoms proteger. Es una práctica común instalar un equipo de dispositivos de protección contra sobretensiones para conectar los cables que llevan la electricidad al edificio, dicho equipo absorberá la mayoría de la energía proveniente de una variación de voltaje, pero solamente se sujeta a la línea eléctrica a un alto voltaje, entre 600 y 1200 voltios, por ejemplo. Y después en sub ramas del circuito y en el punto donde un usuario se conectaría, podemos poner otro dispositivos de protección contra sobretensiones, este se puede conectar a una línea de voltaje más bajo, una vez que la variación de voltaje ha sido decapitada por el flujo de sistemas de regulación de voltaje y ha sido convertido a una corriente baja por el flujo conectado por la inductancia de los cables.

Los dispositivos de protección contra sobretensiones tipo Point-of-use que se venden a los usuarios, como multicontactos, reguladores de voltaje, casi nunca vienen con especificaciones que sirvan de mucho. El numero de Joules (J) absorbido no nos dice mucho (esto depende mucho en la forma de la onda aplicada), ni tampoco el tiempo de encendido de los dispositivos utilizados para sugetar el voltaje (de todas formas los retrasos causados por la inductancia del alambre siempre serán más grandes). Tiene mucho más sentido para nosotros saber el nivel de sujeción máximo del voltaje es bajo las condiciones actuales de las formas de la onda. Hay varias pruebas estándares para usos comunes. El más común de ellos, al menos en los Estados Unidos es la combinación de las formas de onda 1.2/50-8/20us descritas en ANSI/IEEE Std C62 (ver debajo). Hay otras, y hay mucho más así como los diferentes tipos de pruebas de formas de ondas que se producen en diferentes tipos de caídas de rayos debate . En 1990, La Asociación Nacional Estadounidense de Productores Eléctricos (NEMA - U.S. National Electrical Manufacturers' Association) aprovo el estándar LS-1, definiendo un formato común para especificar tipos de dispositivos de protección contra sobretensiones. Fue descontinuado (¿por la mano invisible?) en 2009 debido a las controversias asociadas con su uso en el mercado. La funcionalidad y seguridad d evariso estándares han sido desarrollados al gusto de la el Instituto Eléctrico de Electrónica e Ingenieros (IEEE -Institute of Electrical and Electronics Engineers), la Comisión de Electrotécnica (IEC- International Electrotechnical Commission) y los Laboratorios de Aseguradoras de los Estados Unidos (U.L. -Underwriters'Laboratories, U.S.). Desafortunadamente, la funcionalidad y seguridad dictada por estas personas mantienen estos estándares bajo los criterios de los pagos y regalías. De las publicaciones de la IEEE respecto a los dispositivos de protección contra sobretensiones , las más relevantes son:


  • IEEE Std C62.41.1, "Guide on the Surge Environment in Low-Voltage (1000 V and less) AC Power Circuits"
  • IEEE Std C62.41.2, "Recommended Practice on characterization of Surges in Low-Voltage (1000 V and less) AC Power Circuits"
  • IEEE Std C62.45, "Recommended Practice on Surge Testing for Equipment Connected to Low-Voltage (1000 V and Less) AC Power Circuits"

Otras publicaciones y estándares:

  • U.L. 1449 is a U.S. safety and performance standard for SPD's, for both manufacturers and users.
  • IEC SC37A is a European standard.


Lecturas de interés (en inglés):

[1] U.S. Dept. of 'Defense', "MILITARY HANDBOOK: GROUNDING, BONDING AND SHIELDING FOR ELECTRONIC EQUIPMENTS AND FACILITIES", MIL-HDBK-419A, Dec. 29, 1987

https://www.wbdg.org/ccb/FEDMIL/hdbk419a_vol1.pdf https://www.wbdg.org/ccb/FEDMIL/hdbk419a_vol2.pdf

Very comprehensive. Volume 1 is theory, volume 2 is applications. "If only they had used their powers for Good, instead of Evil..."

[2] Bogdan “Bogey” Klobassa, "A Lightning Protection System for Wireless Telecom Sites", Above Ground Level, Dec. 2010

http://www.timesmicrowave.com/products/protect/downloads/aglarticle.pdf

Como proteger torres de celulares y equipos dentro de edificios.

[3] Le & Nouanesengsy, "Lightning Protection for Cellular Tower Mounted Electronics", Andrew Corporation

https://www.commscope.com/docs/lightning_protection_for_cellular_tower_mounted_electronics_tp-101613.pdf

Un buen resumen. Andrew es uno de los grandes productores de cable coaxial usado para torres de celulares.

[4] Block, Ron KB2UYT, "Lightning Protection for the Amateur Radio Station", ARRL.org

Lightning Protection for the Amateur Radio Station -- Part 1 Lightning Protection for the Amateur Radio Station -- Part 2 Lightning Protection for the Amateur Radio Station -- Part 3

http://www.arrl.org/lightning-protection

Un acercamiento con miras desde el sistema para proteger equipos en una estación de radioaficionado, escrita por el hermano del fundador de Polyphaser.

[5] NEMA (National Electrical Manufacturers' Association, U.S.) Surge Protection Institute webpages:

http://www.nemasurge.org

Una lista de los estándares relevantes.

[6] Erico's telecom protection products:

http://www.erico.com/part.asp?part=SES401201P&applications=telecom

Un gran recurso. Varias de las guías y notas muy bien ecsritas en la sección de "Documentos" para utilizar dispositivos de protección contra sobretensiones, con énfasis en proteger los sitios inidustriales y de telecomunicaciones. Erico desarrollo un proceso de soldadura exoteŕmico utilizado en estos días por prácticamente todos los conductores en los sistemas de tierras y de protección en contra de rayos. Producen una amplia variedad de cosas para los sistemas de protección en contra de la caída de rayos.

[7] Polyphaser / Transtector / Smiths Power

http://www.smithspower.com/brands/polyphaser/services/media-library

Varios ensayos principalmente orientados hacia las torres de Radio Frecuencia para protegerlas de las variaciones de voltaje. Polyphaser es un productor de sistemas de dispositivos de protección contra sobretensiones.