CONSULTORIA ELÉCTRICA EN PLANTAS DE PROCESO.

PLANTAS

DE

PROCESO

Consultoría en Seguridad Eléctrica

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REV. 0 25/01/2013

ING. ALBERTO EGEA [email protected]

PROGRAMA DE CONSULTORÍA EN

SEGURIDAD ELÉCTRICA

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PHMR/REV.0 25/01/2013 Página 2 de 71

Índice de Contenidos

A. LEYES Y NORMATIVA B. DEFINICIONES 1. RIESGOS ELÉCTRICOS

1.1. ALCANCE DEL RIESGO ELÉCTRICO 1.2. RIESGO DE ELECTROCUCIÓN. EFECTOS DEL PASAJE DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA POR EL CUERPO HUMANO

1.2.1. Contacto directo y medidas de protección 1.2.2. Contacto indirecto, medidas de protección y prevención 1.2.3. Grado de protección de las envolventes. Código IP

1.3. RIESGO DE INCENDIO 1.4. RIESGO DE NO DISPONIBILIDAD DE LA ENERGÍA 1.5. RIESGO POR SOBRECORRIENTES Y SOBRETENSIONES 1.6. EVALUACIÓN DE RIESGOS

1.6.1. Niveles y asignación de valores 1.6.2. Ejemplo de aplicación de Evaluación de Riesgos 1.6.3. Riesgo operativo

1.7. GARANTÍA DE FUNCIONAMIENTO 1.7.1. Fiabilidad 1.7.2. Disponibilidad 1.7.3. Mantenibilidad 1.7.4. Seguridad

2. INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES 2.1. CONDICIONES A SATISFACER POR UNA RED ELÉCTRICA INDUSTRIAL

2.1.1. La seguridad de las personas y de los bienes 2.1.2. Continuidad de servicio 2.1.3. Notas sobre instalaciones eléctricas antiguas

2.2. CONSIDERACIONES SOBRE CABLES Y CONDUCTORES PARA TRASPORTE DE ENERGÍA 2.2.1. Capacidad de carga 2.2.2. Cables en servicio 2.2.3. Tendido de cables

2.3. ÁREAS PELIGROSAS 2.3.1. Clasificación 2.3.2. Niveles de protección de equipos en zonas con gases o vapores inflamables 2.3.3. Modos de protección en atmósferas con gases o vapores inflamables 2.3.4. Modos de protección especiales para zona 2 2.3.5. Aplicación de los modos de protección a las zonas clasificadas 2.3.6. Grupos de aparatos y categorías 2.3.7. Determinación del grupo de explosión 2.3.8. Clases de temperatura

3. TABLEROS ELÉCTRICOS Y SALAS DE TABLEROS 3.1. CONTROL TÉRMICO DE LOS TABLEROS ELÉCTRICOS EN BT 3.2. ARCO ELÉCTRICO

3.2.1. Factores de generación 3.2.2. Características 3.2.3. Análisis 3.2.4. Reducción de las posibilidades de aparición de un arco eléctrico

4. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA 4.1. DEFECTO A TIERRA 4.2. CONEXIÓN A TIERRA (ECT) EN PLANTA PGSM Y ETILENO SAN LORENZO 4.3. CONEXIÓN A TIERRA DE LA RED DE MT

4.3.1. Canalizaciones eléctricas 4.3.2. Coordinación del aislamiento 4.3.3. Criterios y esquemas

4.4. CONSIDERACIONES SOBRE LA PUESTA A TIERRA EN ÁREAS PELIGROSAS 4.4.1. Potencia disipada 4.4.2. Puesta a tierra y conexiones equipotenciales 4.4.3. Capacitancia parásita 4.4.4. Conductor de protección 4.4.5. Conexiones




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5. ESQUEMAS DE CONEXIÓN A TIERRA (ECT) 5.1. ESQUEMA TN 5.2. ESQUEMA TT 5.3. ESQUEMA IT

5.3.1. Ejemplo de cálculo de las corrientes de falla y de la tensión de contacto con un primer defecto 5.3.2. Doble falla de aislamiento 5.3.3. Sobretensiones en el esquema IT 5.3.4. Evolución del esquema IT

5.4. CUADROS COMPARATIVOS DE LOS ECT 5.5. PROTECCIONES ELÉCTRICAS SEGÚN LOS ECT

5.5.1. TN 5.5.2. TT 5.5.3. IT

5.6. PROTECCIONES DEL NEUTRO SEGÚN LOS ECT

6. PROTECCIÓN CON DISYUNTORES DIFERENCIALES DE CORRIENTE RESIDUAL 6.1. EL DISPOSITIVO DIFERENCIAL DE CORRIENTE RESIDUAL 6.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LOS DDR 6.3. CAPTADORES

6.3.1. Casos particulares 6.3.2. Utilización de DDR con toro incorporado

6.4. RELÉS DE MEDIDA Y ACTUADORES 6.4.1. Según su forma de instalación 6.4.2. Según su tecnología 6.4.3. Imperativos de utilización

6.5. NORMAS DE FABRICACIÓN 6.5.1. Sensibilidad (IΔn) 6.5.2. Curvas de disparo

6.6. DISTINTOS TIPOS DE APARATOS 6.7. CORRIENTES DE FUGA

6.7.1. Corrientes de fuga de 50 Hz – 60 Hz 6.7.2. Corrientes de fuga transitorias 6.7.3. Corrientes de fuga de alta frecuencia 6.7.4. Corrientes debidas al rayo

6.8. LA PROTECCIÓN CONTRA DEFECTOS DE AISLAMIENTO 6.8.1. El riesgo de contacto directo 6.8.2. Protección contra incendios

6.9. PROTECCIÓN CON DDR SEGÚN LOS ECT 6.9.1. Esquema TT 6.9.2. Esquema TN 6.9.3. Esquema IT

7. INFLUENCIA DE MEDIA TENSIÓN (MT) EN BAJA TENSIÓN (BT) 7.1. DESCARGA ATMOSFÉRICA SOBRE ALIMENTADOR EN MT 7.2. SOBRETENSIONES DE MANIOBRA 7.3. DESCARGAS INTERNAS EN UN TRANSFORMADOR

7.3.1. Cebado MT a masa interna en un transformador 7.3.2. Cebado MT en el interior de un transformador

7.4. FERRORESONANCIA

8. ELECTRICIDAD ESTÁTICA 8.1. GENERACIÓN DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS

8.1.1. Ejemplos de acumulación de cargas eléctricas 8.1.2. Energía de la chispa y su capacidad de ignición

8.2. DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS Y RIESGO DE INCENDIO 8.2.1. Electricidad estática en la industria

8.3. SUPRESIÓN O REDUCCIÓN DE LA GENERACIÓN DE LA CARGA ESTÁTICA 8.4. CONDUCTIVIDAD Y RELAJACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA EN LÍQUIDOS 8.5. OPERACIONES DE LLENADO DE CAMIONES CISTERNA 8.6. DESCARGAS ESTÁTICAS EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO 8.7. CONTROL DE LA ELECTRICIDAD ESTÁTICA

9. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 9.1. OBJETIVOS DE LA PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 9.2. EL RAYO




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9.3. PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO 9.3.1. Puesta a tierra 9.3.2. Reducción del peligro de descargas

9.3.2.1. Estructuras metálicas que contienen gases o líquidos explosivos 9.3.2.2. Tanques de almacenamiento de techo fijo que contengan líquidos o vapores inflamables 9.3.2.3. Tanques de almacenamiento de techo flotante que contengan líquidos o vapores inflamables 9.3.2.4. Puesta a tierra de los tanques de almacenamiento

9.4. NORMATIVA DE APLICACIÓN

10. CORROSIÓN Y PROTECCIÓN CATÓDICA 10.1. CORROSIÓN EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO

10.1.2. Necesidades de protección catódica

10.2. CONFLICTO ENTRE LA PUESTA A TIERRA Y LA PROTECCIÓN CATÓDICA 10.3. NORMATIVA DE REFERENCIA

11. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA 11.1. FUENTES DE PERTURBACIONES 11.2. PERTURBACIONES POR CONDUCCIÓN EN ELECTRÓNICA DE POTENCIA 11.3. PERTURBACIONES POR RADIACIÓN A CAUSA DEL CIERRE DE APARATOS EN MT 11.4. ACOPLAMIENTO.

11.4.1. Acoplamiento de campo a cable 11.4.2. Acoplamiento por impedancia común 11.4.3. Acoplamiento cable a cable en modo diferencial o diafonía

11.5. LA VÍCTIMA 11.6. LA INSTALACIÓN

11.6.1. Disposición en forma de malla de los circuitos y redes de masas 11.6.2. La separación eléctrica de circuitos 11.6.3. Cableado

10.7. NORMATIVA DE REFERENCIA




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A. LEYES Y NORMATIVAS a. Marco legal general en Argentina: Ley 19.587 (de Higiene y Seguridad en el Trabajo) y sus

decretos reglamentarios (351/79 y 911/96), de los que, en el presente caso, por tratarse de

instalaciones existentes se aplica el 351/79.

b. Reglamentación AEA de aplicación. Revisión año 2006.

c. Normas IEC de aplicación. Últimas revisiones.

d. Recomendaciones y estándares vigentes: API, IEEE, NFPA, VDE, DIN, UNE

B. DEFINICIONES Inspección Acción que comprende una revisión cuidadosa de un elemento, llevada a cabo sin realizar desarmes, o con desarmes parciales según sea necesario, complementada por medios tales como mediciones, con el objeto de llegar a una conclusión confiable sobre la condición del elemento.

Inspección cercana Inspección que abarca aquellos aspectos cubiertos mediante una inspección visual y, además, identifica defectos, por ejemplo, tornillos flojos, que son evidentes solamente con el uso de equipamiento de acceso, tales como escaleras (donde sea necesario), y herramientas. La inspección cercana normalmente no requiere que se realice la apertura de la envoltura o se desenergice el equipo.

Inspección detallada Inspección que abarca aquellos aspectos cubiertos mediante una inspección cercana y, además, identifica los defectos, por ejemplo, conexiones flojas, los cuales se hacen evidentes con la apertura de la envoltura y/o con el uso de herramientas y equipos de ensayo, donde sea necesario.

Documentación Técnica de consulta a. Clasificación de áreas

b. Planos de instalaciones eléctricas

c. Planos de distribución en planta de equipos e instalaciones (Layouts)

d. Registros históricos de ensayos y mediciones de equipos e instalaciones.




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1. RIESGO ELÉCTRICO

1.1. ALCANCE DEL RIESGO ELÉCTRICO El riesgo eléctrico está presente en cualquier tarea que implique manipulación o maniobra de instalaciones eléctricas de baja, media y alta tensión, operaciones de mantenimiento de las mismas, utilización, manipulación y reparación del equipo eléctrico de las máquinas, así como utilización de aparatos eléctricos en entornos para los cuales no ha sido diseñado el dispositivo (amb ientes húmedos y/o mojados), etc. Dentro del riesgo eléctrico quedan Incluidos:

a. Electrocución: es la posibilidad de circulación de una corriente eléctrica a través del cuerpo humano.

b. Incendios o explosiones originados por la electricidad.

c. No disponibilidad de la energía.

d. Sobrecorrientes y sobretensiones elevadas.

1.2. RIESGO DE ELECTROCUCIÓN. EFECTOS DEL PASAJE DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA POR EL CUERPO HUMANO. En la figura 1 (Zonas tiempo/corriente de los efectos de la ca de 15 Hz a 100 Hz sobre las personas según IEC 60479-1) se indican los efectos que produce una corriente alterna de frecuencia comprendida entre 15 y 100 Hz con un recorrido mano izquierda-los dos pies.

Figura 1: Efectos de la corriente alterna (de 15 Hz a 100 Hz) sobre las personas (IEC 60479-1)

El valor de la impedancia del cuerpo humano depende muchos factores, entre los más significativos pueden enunciarse: el grado de humedad de la piel, la superficie de contacto, la presión de contacto, la tensión aplicada, el estado fisiológico, principalmente el grado de alcohol en la sangre y la dureza de la epidermis. (Figura 2).




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Figura 2: valores estadísticos de la impedancia total del cuerpo humano.

La norma IEC 60479-1 ha definido una tensión de seguridad que es la tensión de contacto máxima admisible durante al menos 5 segundos (Figura 3).

Figura 3: Curva de seguridad (IEC 60479-1)




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Las normas IEC 60364 § 413.1.1.1 y la reglamentación AEA precisan que, si la tensión de contacto (UC) tiene el riesgo de sobrepasar la tensión UL (Tensión fase-tierra), la duración de la aplicación de la tensión de defecto debe de limitarse mediante la actuación de dispositivos de protección. (Figura 4).

Figura 4: Duración máxima de mantenimiento de la tensión de contacto según la norma IEC 60364.

1.2.1. Contacto directo y medidas de protección Se trata del contacto accidental de personas con un conductor activo (fase o neutro) o con una masa conductora que habitualmente está con tensión (figura 5a). Cuando el riesgo es muy importante, la solución sencilla consiste en distribuir la energía eléctrica a una tensión no peligrosa, es decir, a una tensión menor o igual que la de seguridad. Es el empleo de la muy baja tensión de seguridad (MBTS) En BT (220/380 V), las medidas de protección consisten en poner las partes activas fuera del alcance o aislarlas con la utilización de aislantes, envolventes o barreras. Una medida complementaria contra los contactos directos consiste en utilizar los Interruptores Diferenciales (ID) de alta sensibilidad (≤ 30 mA). La forma de tratar los contactos directos es totalmente independiente del Esquema de Conexión a Tierra (ECT), pero la utilización de ID es necesaria en todos los casos de alimentación de circuitos cuyo ECT no se puede prever o controlar.

1.2.2. Contactos indirectos, medidas de protección y prevención El contacto de una persona con masas metálicas accidentalmente puestas bajo tensión se denomina contacto indirecto (figura 5b). Esta conexión accidental con la tensión es el resultado de un defecto de aislación. Circula entonces una corriente de defecto y provoca una elevación de la tensión entre la masa del receptor eléctrico y tierra; aparece por tanto una tensión de defecto que es peligrosa si es superior a la tensión UL (tensión de contacto máxima admisible). Frente a este riesgo, las normas de instalación, IEC 60364 a nivel internacional y la Reglamentación AEA en Argentina han oficializado tres esquemas de conexión a tierra (ECT IT, ECT TT, ECT TN) y han definido las reglas de instalación y de protección correspondientes. Las medidas de protección contra contactos indirectos se apoyan en dos principios fundamentales:

a. la conexión a tierra de las masas de los receptores y equipos eléctricos, para evitar que un defecto de aislación se

convierta en el equivalente a un contacto directo.

Figura 5: Contactos directos e indirectos




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b. la equipotencialidad de masas accesibles simultáneamente: la interconexión de estas masas contribuye

eficazmente a reducir la tensión de contacto. Esto se hace mediante el conductor de protección (PE) que

interconecta las masas de los materiales conductores, eventualmente completada con conexiones equipotenciales

adiciónales. La equipotencialidad no puede ser total en todos los puntos.

La normativa AEA 90364 de aplicación a contactos directos e indirectos corresponde a la Introducción del artículo 771.18 y a los sub artículos 771.18.1/2/3

1.2.3. Grados de protección de las envolventes. Código IP El grado de protección IP de una envolvente es el nivel de protección de dicha envolvente contra el acceso a partes peligrosas, contra la introducción de cuerpos sólidos extraños y contra la entrada de agua. El grado de protección de una envolvente, conforme a IEC EN 60529 se identifica por las letras IP (International Protection) seguidas de dos cifras y ocasionalmente de dos letras. Se proporciona protección contra las siguientes influencias externas:

a. Penetración de cuerpos sólidos.

b. Protección de las personas contra el

acceso a las partes en tensión.

c. Protección contra la entrada de polvo.

d. Protección contra la entrada de líquidos.

Nota: el código IP es aplicable a equipos eléctricos con tensiones de hasta 72,5 kV inclusive.

Figura 6




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1.3. RIESGO DE INCENDIO Un buen número de incendios tienen su origen en un calentamiento importante y puntual o en un arco eléctrico provocado por un defecto de aislación. El riesgo es todavía más importante si la corriente de defecto es elevada. Son también factores de riesgo de incendio o de explosión la electricidad estática y las descargas de origen atmosférico. Se estima, de hecho, que los sistemas eléctricos en malas condiciones de seguridad son una de las principales causas de incendios. Algunas de las posibles fuentes de ignición causadas por el sistema eléctrico son:

a. Envejecimiento de circuitos y cortocircuitos en tomas de corriente.

b. Recalentamiento del cableado y sobrecargas eléctricas.

c. Fallos en los circuitos de motores eléctricos.

d. Puntos de luz e interruptores expuestos a atmósferas explosivas: una chispa puede ser especialmente peligrosa si

se trabaja en atmósferas explosivas o en la cercanía de gases o líquidos inflamables.

Se ha demostrado que cuando la corriente de defecto sobrepasa los 500 mA, un contacto puntual entre un conductor y una pieza metálica puede provocar un incendio. Con el Esquema de Conexión a Tierra (ECT) de neutro aislado (IT), el riesgo de incendio es muy pequeño para el primer defecto , es tan importante como en el ECT TN para el segundo defecto. Para los esquemas TT y, sobre todo TN, la corriente de defecto es peligrosa, vista la potencia desarrollada durante la falla (P = Rd I

2) cuyos valores de corriente oscilan en:

a. ECT TT: 5 A < Id < 50 A.

b. ECT TN: 1 kA < Id < 100 kA.

La potencia puesta en juego en el punto del defecto, sobre todo en el esquema TN, es considerable y hay que conseguir limitar la energía disipada actuando con la máxima velocidad y los mínimos valores posibles de corriente. Esta protección, prescrita por la IEC y exigida por la Reglamentación AEA se realiza por medio de Interruptores Diferenciales (ID) instantáneos con un ajuste ≤ 500 mA, sea cual sea el esquema de conexión a tierra.

1.4. RIESGO DE NO DISPONIBILIDAD DE LA ENERGÍA Si para eliminar un defecto se desconecta automáticamente la parte afectada, se tiene como resultado:

a. Riesgo para las personas, por ejemplo: falta súbita de la iluminación, desconexión de equipos útiles para la

seguridad.

b. Riesgo económico por la falta de producción; este riesgo debe de ser especialmente controlado en las industrias de

procesos, en las que un rearranque puede ser largo y costoso.

Este riesgo es diferente según el ECT escogido. La disponibilidad (D) es una magnitud estática (figura 7) igual a la razón entre dos tiempos: tiempo durante el cual la red está presente y tiempo de referencia, igual al tiempo «red presente + red ausente». El tiempo de buen funcionamiento (MUT) depende del estado general de aislación de la red. Con el tiempo, el aislante se va degradando con los sobreesfuerzos térmicos y electrodinámicos debidos especialmente a las corrientes de defecto. El tiempo de fallo (MDT) depende, también él, de la corriente de defecto y especialmente de su intensidad que, según su valor, puede provocar:

a. un deterioro más o menos importante en receptores y cables.

b. Incendios.

c. fallas en el funcionamiento de los equipos de señal o de bajas corrientes y de control y mando.

El problema de la disponibilidad de la energía hay que analizarlo para el estudio de cada uno de los esquemas de conexión a tierra. El ECT IT requiere un estudio particular, puesto que es el único que permite el no disparo en presencia de un defecto.

Figura 7




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ECT IT: Para conservar todas las ventajas que este esquema tiene de no interrumpir la distribución eléctrica al primer fallo, hay que evitar el segundo fallo, que tiene entonces los mismos e importantes riesgos del ECT TN. El empleo de medios de detección y d e localización eficientes por parte de un personal de mantenimiento con capacidad de respuesta reduce la probabilidad de la «doble falla». ECT TN y TT: Hay que hacer referencia a la selectividad en el disparo. En TN, esto se consigue con las protecciones contra cortocircuitos mediante la selectividad amperimétrica. En TT, es fácil conseguirla gracias a los ID que permiten obtener una selectividad amperimétrica y cronométrica. En el TN, el tiempo de reparación tiene el peligro de ser más importante que en TT, lo que influye también en la disponibilidad. Si por imperativos de la continuidad del suministro la instalación tiene un grupo electrógeno o una UPS (Sistema de Alimentación Ininterrumpida) cuando se pasa a la fuente secundaria hay un riesgo de no funcionamiento o de funcionamiento tardío de los dispositivos de protección contra cortocircuitos (DPCC) a causa de una Icc menor. Para una buena disponibilidad de la energía, los ECT se clasifican, por orden de preferencia, en IT, TT, TN. Prevención de defectos de aislación en motores: durante el arranque algunas de las averías de un motor se deben a un defecto de aislación que se pone de manifiesto precisamente al conectarlo a la red. Una pérdida de aislamiento, aunque débil, en un motor caliente que se enfría en un ambiente húmedo (condensación) degenera en un defecto franco al arrancar de nuevo, implicando, por una parte, importantes gastos por la reparación de sus bobinados, y, por otra, una pérdida por el cese de la explotación. La prevención de este tipo de incidente se puede conseguir, sea el que sea el ECT, mediante un Control Permanente de la Aislación (CPI) que supervise al receptor sin tensión. Así, ante un defecto, se impide el arranque.

1.5. RIESGO POR SOBRECORRIENTES Y SOBRETENSIONES Si la corriente de falla es elevada, los daños en la instalación o en los receptores pueden ser importantes y aumentar los costos y los tiempos de reparación. Además la circulación de elevadas intensidades de defecto en modo común (entre red y tierra) puede también producir perturbaciones en el funcionamiento de equipos sensibles, sobre todo si éstos forman parte de una red de baja corriente, extensamente distribuida y con conexiones galvánicas. La aparición de sobretensiones y/o de fenómenos de radiación electromagnética puede producir disfunciones y hasta el deterioro de equipos sensibles.

1.6. EVALUACIÓN DE RIESGOS

1.6.1. Niveles y asignación de valores para obtener la Tolerabilidad de Riesgos (STD PETROBRAS N-2782).

NIVEL DE DEFICIENCIA (ND)

DENOMINACIÓN ND SIGNIFICADO

Muy deficiente 7 a 10 Se han detectado factores de riesgo significativos que determinan como muy posible la generación de fallos. El conjunto de medidas preventivas existentes respecto al riesgo resulta ineficaz.

Deficiente 3 a 6 Se ha detectado algún factor de riesgo significativo que precisa ser corregido. La eficacia del conjunto de medidas preventivas existentes se ve reducida de forma apreciable.

Mejorable 2 Se han detectado factores de riesgo de menor importancia. La eficacia del conjunto de medidas preventivas existentes respecto al riesgo no se ve reducida de forma apreciable.

Aceptable 1 No se ha detectado anomalía destacable alguna. El riesgo está controlado. No se valora.

NIVEL DE EXPOSICIÓN (NE)

DENOMINACIÓN NE SIGNIFICADO

Continuada 4 Continuamente. Varias veces en su jornada laboral con tiempo prolongado.

Frecuente 3 Varias veces en la jornada laboral, aunque sea con tiempos cortos.

Ocasional 2 Alguna vez en la jornada laboral y con periodo corto de tiempo.

Esporádica 1 Irregularmente




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NIVEL DE PROBABILIDAD (ND x NE)

NIVEL DE EXPOSICIÓN (NE)

4 3 2 1

NIV

EL D

E D

EFIC

IEN

CIA

(N

D)

10 40 30 20 10

6 24 18 12 6

2 8 6 4 2

1 4 3 2 1

SIGNIFICADO DE LOS NIVELES DE PROBABILIDAD (STD PETROBRAS N-2782)

DENOMINACIÓN NP SIGNIFICADO

Frecuente (E) 40 a 20 Puede ocurrir muchas veces durante la vida útil de la instalación.

Posible (D) 20 a 8 Probable que ocurra una vez durante la vida útil de la instalación.

Poco probable (C) 8 a 4 Es poco probable que ocurra durante la vida útil de un conjunto de unidades similares.

Remota (B) 4 a 2 No se espera que ocurra aunque existen referencias en instalaciones similares en la industria

Extremadamente Remota (A)

1 a 2 Conceptualmente posible pero sin referencias en la industria

NIVEL DE CONSECUENCIAS

(NC) NC

SIGNIFICADO (STD PETROBRAS N-2782)

DAÑOS PERSONALES

PATRIMONIO / CONTINUIDAD OPERACIONAL

MEDIO AMBIENTE IMAGEN

Catastrófica (V)

100 a 80 Múltiples fatalidades extramuros o fatalidad extramuros.

Daños catastróficos que pueden conducir a la pérdida de la instalación industrial.

Daños severos en áreas sensibles o extendiéndose a otros sitios.

Impacto internacional.

Crítica (IV) 80 a 60 Fatalidad intramuros o lesiones graves extramuros.

Daños severos a sistemas (reparación lenta)

Daños severos con efecto localizado

Impacto nacional

Media (III) 60 a 25 Lesiones graves intramuros o lesiones leves extramuros.

Daños moderados a sistemas Daños moderados Impacto regional

Marginal (II) 25 a 10 Lesiones leves Daños leves a sistemas / equipos

Daños leves Impacto local

Despreciable (I) 10 a 1 Sin lesiones o como máximo casos de primeros auxilios

Daños leves a equipos sin compromiso de la continuidad operacional

Daños insignificantes Impacto insignificante




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NIVEL DE RIESGO E INTERVENCIÓN

NR= NP x NC

NIVEL DE PROBABILIDAD (NP)

A (2-1) B (4 – 2) C (8-4) D (20-8) E (40-20)

NIV

EL D

E C

ON

SEC

UEN

CIA

S (

NC

)

V (100 a 80) M

200 - 80

M

400 - 160

NT

800 - 320

NT

2000 - 640

NT

4000 - 1600

IV (80 A 60) T

160 - 60

M

320 - 120

M

640 - 240

NT

1600 - 480

NT

3200 - 1200

III (60 A 25) T

120 - 25

T

240 - 100

M

480 - 100

M

1200 - 200

NT

2400 - 500

II (25 A 10) T

50 - 10

T

100 - 20

T

200 - 40

M

500 - 80

M

1000 - 200

I (10 A 1) T

20 - 1

T

40 - 2

T

80 - 4

T

200 - 8

M

400 - 20

SIGNIFICADO DEL NIVEL DE INTERVENCIÓN

NIVEL DE INTERVENCIÓN (NI)

SIGNIFICADO

NT Riesgo no tolerable.

M Riesgo medio.

T Riesgo tolerable.

1.6.2. Ejemplo de aplicación de Evaluación de Riesgos

IMAGEN RIESGO ELÉCTRICO RIESGO OPERATIVO ND NE NP NC NR NI

540-01 Contacto directo Desconexión por protección 6 2 12 25 300 M 540-02 Sobrecorriente Paro de equipo 2 1 2 25 50 T 540-03 Falla aislación Incendio 10 4 40 60 2400 NT EVALUACIÓN PROMEDIO DE RIESGOS 6 2 18 36 648 NT

1.6.3. Riesgo operativo El riesgo operativo corresponde a toda acción del operador que pueda generar un riesgo eléctrico para él o para las instalaciones que opera o cualquier acción que genere un funcionamiento erróneo de la instalación de acuerdo a la finalidad con la que ha sido diseñada.




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1.7. GARANTÍA DE FUNCIONAMIENTO Una planta industrial de proceso continuo no puede admitir pérdidas de producción, tanto más cuanto sean más importantes y complejos sus procesos. En este escenario se debe buscar lo mejor en:

a. fiabilidad de los procesos, de su control y mando. b. disponibilidad de sus máquinas. c. mantenimiento de las herramientas de producción. d. seguridad de las personas y del activo industrial.

Estos valores que se agrupan bajo el concepto de garantía de funcionamiento, se relacionan directamente con la noción de confianza. Este concepto se cuantifica en términos de objetividad, se calcula en términos de probabilidad, se elabora en términos de arquitectura y la elección de componentes y se verifica con ensayos o por la experiencia.

1.7.1. Fiabilidad Es la probabilidad de que una entidad pueda cumplir una función requerida, en las condiciones determinadas, durante un intervalo de tiempo [t1, t2]; y se expresa por: R (t1, t2). Definición, IEC 191 junio 1988. Algunas nociones son fundamentales en esta definición:

a. función: la fiabilidad es característica de la función atribuida a

un sistema. El conocimiento de su arquitectura material es a

menudo insuficiente y se deben utilizar métodos de análisis

funcional.

b. condiciones: el rol del medio ambiente es primordial en la

fiabilidad, también hace falta conocer las condiciones de

utilización. El conocimiento del material no es suficiente.

c. intervalo: uno se interesa por una duración considerable y no por un instante. Por hipótesis el sistema funciona en

el instante inicial, el problema es saber por cuánto tiempo va a funcionar. En general t1 = 0 y se expresa la fiabilidad

por una función, por ejemplo, R (t).

En la curva de fiabilidad exponencial que responde a la función:

λ corresponde a la tasa de falla.

1.7.2. Disponibilidad La disponibilidad es la probabilidad que una entidad pueda cumplir una función requerida, en las condiciones determinadas, en un instante dado t, suponiendo que el suministro de los medios externos necesarios está asegurado. Se representa por: D(t). Esta definición de la IEC es igual a la de la fiabilidad pero con la diferencia fundamental en el aspecto temporal, una se refiere a un período de tiempo y la otra a un instante dado. En un sistema reparable, el funcionamiento al instante t no supone, forzosamente el funcionamiento durante [0,t]. Esta es la diferencia fundamental con respecto la fiabilidad. Se traza la curva de la disponibilidad en función del tiempo, de un elemento reparable con las funciones exponenciales para los desfallecimientos y las reparaciones.

1.7.3. Mantenibilidad Es la probabilidad que una operación dada de mantenimiento pueda ser realizada en un intervalo tiempo dado [t1, t2], que se expresa por: M (t1, t2). Esta definición es igualmente extraída del vocabulario internacional, normalizado por la IEC. Ha establecido que la Mantenibilidad es a la reparación como la fiabilidad es al fallo. La tasa de reparación m(t) es introducida de forma s imilar a la tasa de falla, puesto que esta es constante, la ley es exponencial y resulta la expresión: M(t) = exp(-mt).

1.7.4. Seguridad Se distingue entre las averías peligrosas y las que no lo son. La diferencia no proviene de la naturaleza de la avería sino de sus consecuencias. El hecho de apagar todos los semáforos en una estación o de pasar intempestivamente del verde a rojo afecta al funcionamiento (paro de los trenes) pero no es directamente peligroso. Es completamente diferente del caso pasar del rojo al verde. La seguridad es la probabilidad de evitar un suceso peligroso. La noción de seguridad está estrechamente ligada al riesgo que de ella misma depende, no solamente de la probabilidad de que ocurra, pero sí de la gravedad del hecho. En la figura se ilustra el concepto de riesgo aceptable en función del par: gravedad y probabilidad del suceso.




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2. INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES

2.1. CONDICIONES A SATISFACER POR UNA RED ELÉCTRICA INDUSTRIAL

2.1.1. La seguridad de las personas y de los bienes Es esencial proteger a las personas de riesgos eléctricos poniendo énfasis en:

a. imposibilidad de acceso a las partes con tensión (contactos directos). b. sistema de protección contra la elevación de tensión de las masas metálicas (contactos indirectos). c. prohibición de maniobrar los seccionadores de línea con carga. d. imposibilidad de conexión a tierra con tensión. e. eliminación rápida de los defectos.

Es de capital importancia el comportamiento de materiales y equipos. Para evitar los incendios y limitar los efectos destructivos de la energía eléctrica, hay que prestar especial atención a:

a. las sobreintensidades (cortocircuitos y sobrecargas), b. las sobretensiones.

Las soluciones para eliminar o disminuir las fallas deben de asegurar, por lo menos: a. la eliminación del defecto y la continuidad de la alimentación en las partes sanas de la red (selectividad). b. proporcionar las informaciones necesarias sobre la naturaleza del defecto inicial para una intervención eficaz.

2.1.2. Continuidad de servicio La continuidad de la alimentación de los receptores es necesaria por las siguientes razones: a) seguridad de las personas, por ejemplo, alumbrado, sistemas de seguridad. b) mantenimiento de las herramientas de producción. c) productividad. d) confort de la explotación, por ejemplo, proceso simplificado de rearranque de una máquina. Según las exigencias de funcionamiento, los receptores se clasifican en tres familias: a) los receptores ordinarios. b) los receptores esenciales. c) los receptores críticos, que son los que no soportan ningún tipo de corte. Para cumplir con los objetivos de seguridad y fiabilidad, los explotadores de las redes deben de tener a su disposición una red fácil de manipular, a fin de actuar con seguridad en caso de incidente o maniobra.

2.1.3. Nota sobre instalaciones eléctricas antiguas Cuando la vida útil de equipos, conductores y canalizaciones ha sido superada y siguen prestando servicio se ha de tener especial atención en cuanto a las fallas que esta situación puede provocar. Los materiales y equipos eléctricos tienen una vida útil que puede oscilar en general entre 20 y 30 años. No significa que trascurrida la vida útil los equipos y materiales deban ser reemplazados, pero deben ponerse en foco las instalaciones aumentando los recursos dedicados al mantenimiento y monitoreo de las mismas. Desde el punto de vista normativo, las instalaciones antiguas construidas de acuerdo a las criterios existentes al momento de la construcción, en general no se modifican a lo largo de los años para adecuarse a la evolución de las normas y recomendaciones de seguridad. El crecimiento desmedido de las instalaciones mediante el uso de extensiones y sin la asesoría de profesionales calificados, puede ocasionar sobrecargas. La compra de materiales inadecuados, sean de ocasión, a reducidos, sin certificación, los que, generalmente, incumplen las normas de calidad y seguridad del producto, pueden poner en riesgo la instalación y a sus usuarios. La ausencia de mantenimiento preventivo de la instalación incrementa el riesgo por el simple paso de los años. El uso de conductores y equipos eléctricos que hayan sobrepasado su vida útil ocasiona un mayor consumo de energía eléctrica de la instalación (pérdida de energía en forma de calor) de manera que su renovación permitirá ahorrar dinero y disponer de una instalación segura y confiable. En cuanto a la antigüedad de las instalaciones juegan un papel importante los usuarios, cuya toma de conciencia debe ser elevada dado el riesgo que conlleva tener una instalación en mal estado. Es mayor aún la responsabilidad de los profesionales calificados para estas labores, cuyas recomendaciones a los usuarios servirán para tomar mejores decisiones de seguridad eléctrica. Es necesaria la evaluación periódica de las instalaciones eléctricas cuando tienen una antigüedad mayor a 20 años.

2.2. CONSIDERACIONES SOBRE CABLES Y CONDUCTORES PARA TRANSPORTE DE ENERGÍA

2.2.1. Capacidad de carga Depende de la temperatura máxima admisible del conductor y de las condiciones del ambiente para disipar el calor producida en el mismo. Altas temperaturas y calentamientos excesivos aceleran el envejecimiento del cable. El cable se calienta debido a las pérdidas óhmicas que se producen en los conductores y en las envolturas metálicas. Las pérd idas dieléctricas son prácticamente despreciables para tensiones de servicio de hasta 15 kV. En régimen estable el calor disipado es igual a la suma de todas las pérdidas del cable. El calor pasa del conductor a la superficie exterior del cable y si éste está instalado en aire se trasmite al ambiente por convección y radiación. Si el cable está tendido bajo tierra el calor de pérdidas pasa por conducción térmica desde la superficie del cable a la atmósfera a través de la tierra. La diferencia de temperaturas entre el conductor y el ambiente es aproximadamente proporcional a las pérdidas totales. La trasmisión del calor se rige por una ley análoga a la de Ohm.




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Donde:

De acuerdo con esta analogía se pueden establecer para el flujo térmico los siguientes esquemas.

A causa de las pérdidas por efecto Joule se incrementan la temperatura del conductor y la temperatura de la superficie del cable. Las pérdidas por efecto Joule se expresan de acuerdo al flujo térmico generado y pueden expresarse según:

Vinculando esta expresión con la anterior se deduce que la capacidad de carga de un cable en servicio puede estimarse conceptualmente como:

Donde

En condiciones normales existen varios valores de la capacidad de carga para cada cable que dependen de los métodos de tendido y el servicio al que se destina. Puesto que la capacidad de carga depende en alto grado de las condiciones del ambiente es imposible indicar una capacidad de carga nominal de manera similar a la tensión nominal. La capacidad de carga de proyecto se determina por:

a. Resistencia eléctrica del conductor y las pérdidas por efecto Joule b. Resistencia térmica del cable c. Temperaturas del conductor y del medio ambiente (calentamiento) d. Tipo de tendido del cable

Una vez hallada la corriente nominal (capacidad de carga nominal) para una tensión de servicio determinada y la potencia a trasmitir, se debe establecer la capacidad de carga para el conductor seleccionado (de sección normalizada) aplicando los factores de reducción que correspondan según normativas.




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2.2.2. Cables en servicio. Servicio continuo: el cable se calienta hasta que alcanza una temperatura límite después de cierto tiempo. Servicio de corta duración: El conductor se enfría hasta la temperatura ambiente en el intervalo entre los tiempos de conexión. Servicio intermitente: El cable se conecta y desconecta periódicamente sin que el conductor tenga tiempo de enfriarse hasta la temperatura ambiente entre los períodos de carga. Los procesos de calentamiento y enfriamiento deben tenerse en cuenta al estimar el factor de capacidad de carga. Las fluctuaciones de temperatura en el conductor son tanto mayores cuanto más prolongado es el período de carga. Solicitaciones dinámicas: Los esfuerzos mecánicos a soportar por los cables y terminales en caso de cortocircuito son proporcionales al valor de cresta de la Icc. Estos esfuerzos deben ser absorbidos tanto por los cables como por los elementos de conexión. Para evitar calentamientos adicionales es recomendable sujetar los cables con bridas amagnéticas o de acero con circuito magnético abierto. Tanto en cables tendidos sobre bandejas o sujetos a estructuras o paredes se deben respetar las distancias de seguridad normalizadas para impedir movimientos provocados por la atracción o repulsión generados por las corrientes de cortocircuito. Solicitaciones térmicas en caso de cortocircuito: El calentamiento del conductor depende del valor eficaz y de la duración de la Icc. Puesto que el período de calentamiento es muy breve y tiene lugar solamente cuando las protecciones no actúan en los tiempos adecuados, son admisibles temperaturas más elevadas en el conductor que en las de servicio normal o en sobrecargas prolongadas. El calentamiento del conductor en caso de cortocircuito se puede mantener dentro de límites admisibles eligiendo una sección adecuada. La duración de la Icc se determina por medio del tiempo ajustado de la protección, teniendo en cuenta el tiempo propio del interruptor y de los dispositivos de protección. Mientras que en las redes de distribución de energía es de esperar que los cortocircuitos se produzcan normalmente lejos del generador, en las redes industriales con centrales eléctricas propias los cortocircuitos deben considerarse como cercanos al generador. Comportamiento de pantallas y envolturas metálicas en cables sometidos a un cortocircuito: Las pantallas o las envolturas metálicas deben estar conectadas a tierra. En el caso de derivación sencilla o doble cuando ha ocurrido un cortocircuito se debe verificar el calentamiento ocurrido en dichas derivaciones. Las pantallas o cubiertas metálicas son conductores que permiten la circulación de la Icc por ellas sobre todo cuando se trata de cortocircuitos monofásicos o bifásicos o trifásicos asimétricos. Esta condición adiciona calentamiento al propio del conductor de fase. Comportamiento de pantallas y envolturas metálicas en cables en servicio. Inducción: Los valores de inducción (mutua o autoinducción) en los cables dependen en gran medida de la separación existente entre ellos. Cuando los cables se encuentran energizados se induce una tensión en las pantallas o envolturas metálicas que puede medirse en los extremos. Cuando las pantallas están conectadas en ambos extremos fluye por la misma una corriente debida a la tensión inducida. Las corrientes que circulan por la envoltura generan un campo magnético opuesto al originado por el conductor además de provocar calentamiento por efecto Joule. Puesta a tierra de pantallas y envolturas metálicas en cables unipolares: En servicio se inducen en las pantallas o envolturas tensiones que son directamente proporcionales a la corriente que fluye por el conductor, a la frecuencia, al coeficiente de inducción mutua entre el conductor y la pantalla o envoltura metálica, así como a la longitud del cable. En los métodos usuales de instalación las tensiones inducidas originan corrientes que fluyen por las envolturas y pantallas. Estas corrientes causan pérdidas adicionales y por consiguiente reducen la capacidad de carga. Disposición de los cables unipolares: En la conexión de energía entre dos o más sistemas mediante cables unipolares en paralelo, la inducción debe ser igual para todos, puesto que de ello depende la distribución de la corriente entre los cables. Esta corriente es muy irregular si los cables de una misma fase están agrupados y tendidos uno junto al otro. Se obtiene una distribución completamente uniforme de la corriente solo utilizando cables trifásicos pues de esta manera se elimina la influencia inductiva de los cables cercanos. La separación entre sistemas de cables unipolares debe ser aproximadamente dos veces mayor que la distancia entre ejes de un mismo sistema. También es importante el orden de fases. Los cables de una misma fase no deben instalarse unos junto a otros, sino en diferentes planos. Pérdidas dieléctricas: En los cables, al igual que en los condensadores, se originan pérdidas dieléctricas cuando fluyen corrientes alternas. El factor de pérdidas (tgδ) depende sobre todo del material de aislamiento y de la constitución del cable. Las descargas en cavidades de aire o gas dentro del aislamiento o en la superficie del mismo ocasionan un incremento del factor de pérdidas en función de la tensión.




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Resistencia de aislamiento: depende de las dimensiones del cable (sección, espesor del aislante y longitud), de la clase y composición del aislamiento y de la temperatura. En general el nivel de la resistencia de aislamiento no es un valor para juzgar la seguridad de servicio de un cable, solamente la entrada de humedad causa una reducción de la resistencia que puede menoscabar la seguridad de servicio. Vida útil de cables en servicio: un conductor puede emplearse a su temperatura máxima de trabajo durante toda su vida útil. El incremento de la temperatura en 8 ° C reduce su vida a la mitad y una disminución de temperatura en igual valor la duplica. Las temperaturas admisibles para los tipos más importantes de cables, policloruro de vinilo (PVC), polietileno termoplástico (PE), polietileno reticulado (XLPE) y goma etilenopropilénica (EPR), se muestran en la tabla. En MT y BT la pantalla suministra un camino a tierra para la corriente de falla, con su consiguiente limitación de temperatura - tiempo, debiendo tener en cuenta que la mayor parte de las fallas en cables son o comienzan como monofásicas. Los cables de más de 600 V nominales deberán tener armadura metálica en caso de no poseer pantalla o conductor neutro concéntrico. La pantalla está especificada en las Normas indicando que deben estar dimensionadas de forma que permitan la circulación de la intensidad de cortocircuito prevista en la instalación. Los cortocircuitos provocan un calentamiento muy intenso en los cables por efecto del calor generado en los conductores. Debido al tiempo corto desde que se establece la falla hasta el momento en que ésta debe ser interrumpida, puede suponerse calentamiento adiabático, suposición válida hasta tiempos de 5 segundos. Se considera que el calor producido por la corriente en uno de los conductores no influencia la temperatura alcanzada por los restantes. Si se trata de falla a tierra el retorno es por la pantalla, blindaje o armadura, en cambio si es bifásica o trifásica aisladas circula por él o los restantes conductores. Las sobrecargas se originan en el exceso de cargas conectadas al conductor, aumento del consumo, aperturas de anillos, transferencia de cargas, etc., produciendo un fenómeno diferente al del cortocircuito. En general la capacidad térmica del cable es importante por lo que se puede permitir esta sobrecarga durante tiempos considerables, para los cuales deja de tener valor la suposición de régimen adiabático. El cálculo es complejo, pudiendo hacerse mediante alguna de las herramientas analíticas disponibles, como diferencias finitas, elementos finitos, etc. o empleando las expresiones dadas en las Normas. Los cables son elementos clasificados como de constante de tiempo alta cuyo significado real es que poseen capacidad considerable de soportar sobrecargas elevadas, permitiendo de tal manera superar condiciones de emergencia del sistema. Obviamente tal capacidad posee un límite que debe ser tenido en cuenta por la protección, siendo una práctica normal la explotación de tal capacidad no solo en emergencias sino incluso durante las horas de pico de carga. Debe tenerse en cuenta que el deterioro del cable, originado en las sobrecorrientes se debe exclusivamente por las temperaturas altas durante tiempos largos. Un conductor posee una cierta vida útil (por ejemplo 20 a 40 años según el tipo), con un estado de carga generalmente llamado corriente nominal. Si las condiciones de carga eléctrica son rigurosas, se produce un consumo de vida útil a mayor velocidad y a la inversa su durabilidad se extiende. Para evitar el acortamiento de la vida útil de un cable de energía es necesario evitar los calentamientos que provocan las sobrecorrientes, a tal fin deben disponerse de las protecciones eléctricas adecuadas y calibradas para evitar la sobre temperaturas. La elevación de temperatura en el conductor degrada la calidad del aislante generando además la elevación de la resistencia térmica del mismo disminuyendo a su vez el flujo térmico conductor – ambiente que se traduce en una mayor temperatura en el conductor reduciendo de esta manera la capacidad de carga. En media tensión los cables normalmente poseen pantalla electrostática de cobre. El término blindaje se emplea cuando la pantalla tiene además como propósito proteger al cable de las influencias eléctricas externas. Estos cables que alimentan en tensiones mayores a 1000 voltios están expuestos además de cortocircuitos y sobrecargas a la degradación del aislante por el fenómeno de descargas parciales. Una descarga parcial es un fenómeno de ruptura eléctrica que está confinado y localizado en la región de un medio aislante, entre dos conductores que se encuentran a diferente potencial. En el caso de cables apantallados los conductores que se encuentran a distinto potencial son el conductor de fase y la pantalla. La localización de la descarga puede ser la consecuencia de un aumento del campo eléctrico en un determinado espacio, relativamente pequeño, comparado con las dimensiones del medio aislante. El aumento del campo puede ser debido a cambios bruscos en la naturaleza

TIPO TEMPERATURA OPERACIÓN EN

REGIMEN CONTINUO

TEMPERATURA SOBRECARGA EN

EMERGENCIA

TEMPERATURA DE

CORTOCIRCUITO

t<100 h/año t<500 h/vida

t < 5 s

°C °C °C

PVC ≤ 300 mm2 70 / 80 100 160

PVC > 300 mm2 70 / 80 100 140

PE 75 90 150

XLPE 90 130 250

EPR 90 / 105 130 / 140 250




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del aislante, que pueden ser provocados por vacuolas en un medio sólido o por espacios de gas entre las superficies de un ais lante con un conductor o con otro aislante. El proceso de descargas parciales es característicamente pulsante y se manifiesta como unos pulsos de corriente en un circuito externo; este proceso está catalogado como estocástico porque sus propiedades son descritas en función de variables aleatorias dependientes del tiempo. Las descargas parciales se suelen provocar en regiones aislantes donde existan cavidades de moléculas de gas. Estas regiones podrían corresponder a oclusiones en sólidos o burbujas formadas por la vaporización en un líquido. Cuando la descarga se produce en aislantes poliméricos esta normalmente asociada a la formación de árboles que lo degradan. Estos árboles están compuestos por micro canales con material o de material con baja densidad que puede ser rápidamente vaporizado. Un ejemplo de este fenómeno se observa en la figura. Las descargas parciales tienen efectos perjudiciales sobre el medio en que se producen. En medio sólido o líquido producen una degradación lenta pero continuada, que termina por la ruptura eléctrica del material aislante. Cuando se establece el canal de descarga en el aislante éste pierde sus características y el cable debe ser sacado de servicio. Las descargas parciales se acrecientan con la aparición de sobretensiones en la red. En medios gaseosos, como el aire, las descargas parciales producen el conocido efecto corona. Cables en servicio con vida útil vencida: Los cables eléctricos que han cumplido su vida útil son una de las principales causas de los accidentes eléctricos. Las causas que acortan la vida útil pueden agruparse en las siguientes:

a. El sobrecalentamiento de los conductores, producido por el exceso de consumo eléctrico que sumado a una

protección inadecuada, se traduce en envejecimiento acelerado de la aislación.

b. Sobrecalentamiento por cortocircuitos cuando las protecciones no actúan antes que se produzcan los efectos

térmicos de la falla en los cables.

c. Degradación del aislante por descargas parciales.

d. Maltrato mecánico (golpes, torceduras, radio de curvatura inadecuado, etc.) sobre los cables en la etapa de

montaje o durante el servicio.

Se debe tener en cuenta que el mal estado del material aislante, debido a la antigüedad del conductor, puede originar corrientes de fuga y hasta cortocircuitos, incrementando este peligro la presencia de humedad en el lugar de instalación.

2.2.3. Tendido de cables Tendido en aire sobre bandejas portacables: En tendidos horizontales y en disposición contigua en una capa debe existir una separación entre cables. De la misma manera debe existir separación vertical entre diversas capas de cables. Los cables deben protegerse contra rayos directos del sol, roedores, golpes o daños mecánicos. Tendido en aire dentro de recintos cerrados: los locales deben ser lo suficientemente grandes o ventilados para que no se incremente la temperatura ambiente debido a la disipación de los cables. Tendido bajo tierra sobre capa de arena y protección con ladrillos o losetas: En general los datos de capacidad de carga nominal dados por los fabricantes se refiere a este tipo de tendido para cables de energía de 1000 V de tensión nominal. La influencia de la profundidad del tendido es pequeña, si se aumenta, se reduce la temperatura del medio ambiente y en general la resistencia térmica. Para profundidades normales para tendido de cables de BT y MT (0,7 a 1,2 mts) no es necesario modificar los valores de la capacidad de carga. Mayor importancia que la profundidad tiene la resistividad térmica del suelo que depende de un gran número de factores. Los cables sometidos a su carga total y los que prestan servicio continuo tienden a secar el suelo. Este secado incrementa la resistencia térmica del terreno razón por la que puede sobrepasarse la temperatura admisible del conductor provocando daños en el aislante. El Proceso de secado se ve favorecido por el agua que absorbe la vegetación en las proximidades del cable. Los terrenos y lechos arenosos tienden a secarse con pequeñas elevaciones de temperatura generando un aumento en la resistividad térmica de los mismos que generará disminución del flujo térmico entre conductor y ambiente provocando a su vez aumento de temperatura en el cable. En el gráfico de la derecha puede observarse la variación de la resistividad térmica de algunos terrenos en función de la humedad. Los materiales utilizados en los lechos, grava y arena, si están suficientemente compactados presentan resistividades térmicas favorables. Las burbujas de aire en el lecho deficientemente compactado originan resistencias térmicas adicionales que reducen la capacidad de carga que podría compensarse, en el caso de tendido de cables en paralelo, incrementando los espacios entre ellos. La proximidad o el cruce de cables enterrados con canales de calefacción conducen a un calentamiento adicional y peligroso del cable, especialmente si los canales están mal aislados. Mediante el aislamiento térmico entre el canal de calefacción y los cables reduce en parte el calor desprendido del canal pero impide la disipación de calor de los cables. Conviene entonces alejar los cables de los canales de calefacción.




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Tendido en canales no ventilados o en cañeros subterráneos: En estos tendidos el calor generado en los cables se disipa a través de las paredes del canal o del volumen del cañero en todas direcciones. El calor acumulado incrementa la temperatura del aire que rodea al cable, lo que significa que la carga debe reducirse en comparación con la de los cables tendidos en aire. El calentamiento del aire del canal o el cañero depende solamente de la magnitud de la potencia de disipación de los cables. Tendido de cables agrupados: Los cables tendidos en zanjas, cañeros y canales que tengan una separación insuficiente entre ellos se calientan mutuamente. Por dicho motivo debe reducirse la capacidad de carga.

2.3. AREAS PELIGROSAS

2.3.1. Clasificación

a. Zona 0: Áreas en las que pueden estar presentes de forma permanente o en periodo largo concentraciones

peligrosas de gases o vapores inflamables. Categoría del medio de explosión: 1G

b. Zona 1: Áreas en las que pueden estar presentes de forma ocasional concentraciones peligrosas de gases o vapores

inflamables. Categoría del medio de explosión: 2G, 1G

c. Zona 2: Áreas en las que pueden estar presentes de forma rara y durante poco tiempo concentraciones peligrosas

de gases o vapores inflamables. Categoría del medio de explosión: 3G, 2G, 1G

d. Zona 20: Áreas en las que pueden estar presentes de forma permanente o en periodo largo concentraciones

peligrosas de polvos inflamables. Categoría del medio de explosión: 1D

e. Zona 21: Áreas en las que pueden estar presentes de forma ocasional concentraciones peligrosas de polvos

inflamables. Categoría del medio de explosión: 2D, 1D

Zona 22: Áreas en las que pueden estar presentes de forma rara y entonces durante poco tiempo concentraciones

peligrosas de polvos inflamables. Categoría del medio de explosión: 3D, 2D, 1D

2.3.2. Niveles de protección de equipos en zonas con gases o vapores inflamables

a. EPL: Nivel de protección asignado a los equipos en función de su probabilidad de convertirse en una fuente de

ignición y distinguir las diferencias entre las atmósferas de gas explosivas y atmósferas con polvo explosivo.

Opcionalmente, se puede emplear como parte de una evaluación completa del riesgo (IEC 60079-14).

b. EPL Ma: Equipo de "muy alto" nivel de protección para la instalación en una mina con peligro de grisú y que

tiene la seguridad para asegurar poca probabilidad de convertirse en una fuente de ignición en operación normal

o en caso de anomalía, incluso cuando se deja activado durante la la presencia de un brote de gas

c. EPL Mb: Equipo de "alto" nivel de protección para la instalación en una mina con peligro de grisú y que tienen la

seguridad suficiente para convertirlo en una fuente de ignición en la operación normal o en caso de anomalía en el

lapso de tiempo de un brote de gas cuando el equipo está desenergizado.

d. EPL Ga: Equipos para atmósferas de gas explosivas, con "muy alto" nivel de protección, que no es una fuente de

ignición en la operación normal o en caso de anomalía o en casos de anomalías inesperadas.

e. EPL Gb: Equipos para atmósferas de gas explosivas, con "alto" nivel de protección, que no es una fuente de

ignición en el funcionamiento normal o en caso de anomalías esperadas.

f. EPL Gc: Equipos para atmósferas de gas explosivas, con "mejorado" nivel de protección, que no es una fuente de

ignición en el funcionamiento normal y que pueden tener alguna protección adicional para asegurar que se

mantiene inactivo como una fuente de ignición en caso de anomalías regulares esperadas.




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2.3.3. Modos de protección en atmósferas con gases o vapores inflamables

2.3.4. Modos de protección especiales para la zona 2

MODO LETRA DESCRIPCIÓN

Aparatos no chispeantes nA Durante el funcionamiento normal, el aparato no produce ninguna chispa (Conectores, Interruptores, Relés, entre otros)

Aparatos chispeantes y protegidos

nC Están envueltas piezas chispeantes o calientes en envolventes hermetizados

Envolventes de respiración restringida

nR Está diseñado el envolvente con el objetivo de limitar al mínimo la penetración de la atmósfera explosiva en el aparato.

Sobrepresión interna simple

nP/nZ Parecido a la sobrepresión interna con simplificaciones. Seguridad intrínseca en el caso de funcionamiento sin fallos, sin consideración de fallos relevantes de seguridad.

Aparatos de energía limitada

nL El aparato está limitado en energía para impedir la inflamación en una atmósfera explosiva tanto en el funcionamiento normal como en falla.

2.3.5. Aplicación de los modos de protección a las zonas clasificadas

MODO LETRA DESCRIPCIÓN Seguridad

aumentada e

A través de exigencias especiales al aislamiento, al cumplimiento de ciertas distancias y exigencias de temperatura, entre otras, se impide la aparición de ignición. Aplicación principal en áreas de conexión..

Envolvente antideflagrante

d Los elementos que podrían causar una ignición están encerrados en un envolvente diseñado con el objetivo de evitar el escape de una explosión interna al ambiente exterior.

Sobrepresión interna

p El llenado del envolvente con gas inerte en combinación con el mantenimiento de una sobrepresión permanente del mismo, impide la penetración de la atmósfera explosiva en el aparato.

Seguridad intrínseca

i A través de la limitación del voltaje, de la corriente eléctrica, de la potencia eléctrica y de la temperatura está impedida la ignición en una atmósfera explosiva.

Inmersión en aceite

o La inmersión de los elementos, los cuales podrían causar una ignición dentro del envolvente, impide la penetración de la atmósfera explosiva.

Pulverulento q El envolvente de los elementos, los cuales podrían causar una ignición, está rellenado con un ingrediente fino, en la mayoría de los casos con arena de cuarzo. Así se impide la salida de chispas internas en la atmósfera explosiva.

Encapsulado m El encapsulado de los elementos, los cuales podrían causar una ignición dentro del envolvente impide la penetración de la atmósfera explosiva.




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2.3.6. Grupos de aparatos y categorías Grupo I (minería): Categoría M1: muy alto nivel de seguridad mediante 2 medidas de protección en caso de 2 defectos. Categoría M2: alto nivel de seguridad. Deberá desconectarse en caso de aparición de atmósfera explosiva. Grupo II (otras atmósferas explosivas): Categoría 1: muy alto nivel de seguridad mediante 2 medidas de protección en caso de 2 defectos. Aplicación en zonas 0 y 20. Categoría 2: alto nivel de seguridad. Caso de fallas frecuentes con un defecto. Aplicación en zonas 1 y 21. Categoría 3: nivel normal de seguridad con funcionamiento perfecto. Aplicación a zonas 2 y 22. Subdivisión del Grupo II: Esta subdivisión depende de la capacidad de transmisión de la ignición a través de un intersticio con ancho máximo de seguridad y longitud dados en IEC 60079-14. El material homologado para el grupo de explosión IIC puede aplicarse también para los grupos de explosión IIA y IIB.

2.3.7.Determinación del grupo de explosión Dentro y fuera de una cámara de explosión antideflagrante se encuentra un gas y se inflama el gas situado dentro de la cámara de explosión. El grupo de explosión queda determinado cuando la inflamación dentro de la cámara de explosión deja de propagarse al exterior a través del intersticio máximo de seguridad especificado. El intersticio máximo de seguridad es el ancho que queda entre dos superficies paralelas de 25 mm de longitud de una cámara de explosión.

2.3.8. Clases de temperatura La temperatura de ignición de un gas o líquido inflamable es la menor temperatura en una superficie caliente a partir de la cual se produce la ignición de la mezcla gas/aire o vapor/aire. La máxima temperatura superficial de un material debe ser siempre inferior a la temperatura de inflamación de la atmósfera envolvente. Para aparatos eléctricos del grupo de explosión II se han introducido las clases de temperatura T1 a T6. El materia l se asigna a una clase de temperatura en base a su máxima temperatura superficial. El material que cumple una determinada clase de temperatura puede usarse también en aplicaciones con menor clase de temperatura. Los gases y vapores inflamables se asignan a las clases de temperatura respectivas en base a su temperatura de inflamación.




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3. TABLEROS ELECTRICOS Y SALAS DE TABLEROS

3.1. CONTROL TÉRMICO DE LOS TABLEROS DE BT Desde el punto de vista de la seguridad de las personas, de los bienes y la disponibilidad de la energía eléctrica, los tableros eléctricos representan un punto crítico donde el funcionamiento debe estar perfectamente normalizado. Una subida anómala de temperatura en el interior de un tablero puede poner en riesgo la seguridad del personal (posibles incendios) y de la instalación. Un tablero eléctrico responde a la asociación de 4 elementos: la envolvente, los aparatos de maniobra, las conexiones y las funciones que garantizan la señalización, el mando y el tratamiento de la información. El control de los fenómenos térmicos es a causa de tres razones: la tendencia a instalar el material eléctrico bajo envolventes (seguridad) que suelen ser de material aislante (poco eficaces para disipar el calor), por la evolución de la aparamenta que integra, cada vez en mayor medida, la electrónica, cuyas dimensiones se van reduciendo sistemáticamente y por la tendencia a ocupar el volumen del armario al máximo. La tabla de la figura 8 presenta las causas principales de calentamiento, sus efectos y las posibles soluciones.

Figura 8: Problemas térmicos y relación causa-efecto

3.2. ARCO ELÉCTRICO Arco eléctrico o también arco voltaico es la descarga eléctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados en el seno de una atmósfera gaseosa enrarecida, normalmente a baja presión, o al aire libre. Esta corriente provoca una descarga luminosa similar a una llama. La descarga está producida por electrones que van desde el electrodo negativo al positivo, pero también, en parte, por iones positivos que se mueven en sentido opuesto. El choque de los iones genera un calor intenso en los electrodos, calentándose más el electrodo positivo debido a que los electrones que golpean contra él tienen mayor energía total. Durante el tiempo de la descarga se produce una luminosidad muy intensa, gran desprendimiento de calor, explosiones sonoras y ondas de presión.

http://es.wikipedia.org/wiki/Electrodo

http://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencial

http://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencial

http://es.wikipedia.org/wiki/Llama_(qu%C3%ADmica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor




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3.2.1. Factores de generación Los arcos pueden ser iniciados por las siguientes causas:

a. El polvo y las impurezas: en las superficies aislantes pueden proporcionar una trayectoria para la corriente de

descarga provocando la inflamación generalizada. También los humos o vapores de productos químicos pueden

reducir la tensión disruptiva del aire y la descarga.

b. Corrosión: debilita el contacto entre las terminales de los conductores incrementando la resistencia de contacto a

través de la oxidación u alguna otra contaminación corrosiva. La condensación del vapor y el goteo del agua pueden

crear un camino en la superficie de los materiales aislantes. Esto puede crear una descarga a tierra y la

intensificación del potencial del arco de fase a fase..

c. Acción del personal: El contacto accidental o dejar caer herramientas en zonas bajo tensión pueden causar un

cortocircuito momentáneo con producción de chispas y poner en marcha el mecanismo de descarga.

d. Sobretensiones entre conductores: Si el espacio de aire entre los conductores de diferentes fases es muy

estrecho (debido a la mala mano de obra o el daño de los materiales aislantes), los arcos pueden producirse

durante una falla que provoque sobretensiones.

e. La pérdida de calidad del aislante en los equipos y materiales de la instalación eléctrica.

f. Diseño de equipos e instalaciones y procedimientos de trabajo inadecuados frente al riesgo de arco eléctrico.

3.2.2. Características Los arcos eléctricos producen algunas de las temperaturas más altas que se sabe que existen en la tierra (hasta 20.000°C). El intenso calor provoca la expansión repentina del aire dando lugar a una explosión de manera similar al trueno producido por el rayo que es un arco natural. Todos los materiales conocidos se vaporizan a las temperaturas de arco produciendo una expansión en volumen de los mismos propagando con fuerza metal fundido a grandes distancias. En un sistema de BT un arco de 7 a 10 cm puede estabilizarse y persistir durante un período prolongado de tiempo. La energía liberada es una función de la tensión del sistema y la magnitud y la duración de la falla. Los arcos en Tableros tales como un Centro de Control de Motores (CCM) o un tablero de distribución pueden liberar suficiente energía para exponer a un operador a quemaduras e incluso riesgo de vida de acuerdo a los siguientes efectos:

a. Calor: quemaduras fatales pueden ocurrir cuando la víctima está a varios metros del arco. Quemaduras graves son

comunes a una distancia de 3 metros.

b. Objetos: las gotas del metal fundido producen una metralla que puede penetrar en el cuerpo.

c. Presión: las ondas de choque de presión pueden superar 2000 libras/pie cuadrado, suficiente presión para lanzar a

un trabajador contra objetos o equipos cercanos.

d. Vestimenta: La ropa puede ser quemada en las cercanías de la falla.

e. Pérdida de audición: La explosión puede alcanzar una magnitud de hasta 140 dB a una distancia de 2 metros del

arco.

Debido a las quemaduras producidas por el arco, la piel puede requerir años de tratamiento médico. Algunos de los costos directos por el accidente son: el tratamiento médico, litigación de honorarios y pérdidas de producción. Las lesiones causadas por el arco son muy graves. Según las estadísticas de la American Burn Association la probabilidad de supervivencia disminuye con el aumento de la edad de la víctima (Figura 9).

3.2.3. Análisis El análisis del arco eléctrico debe ser realizado en asociación con los estudios de cortocircuito y de coordinación de protecciones, ya que ambos estudios aportan la información necesaria para realizar el correspondiente. Los resultados del análisis de los r iesgos son usados para identificar el límite físico de protección y la energía incidente en las distancias de trabajo asignadas a través de

Figura 9: Sobrevivencia a un accidente de arco eléctrico




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cualquier punto o nivel en el sistema de generación eléctrica, transmisión, distribución. Otra de las utilizaciones de los resultados obtenidos del estudio, es especificar el adecuado equipo de protección personal (PPE por sus siglas en inglés), el cual debe ser del tipo y calidad para proteger todas las partes del cuerpo que estén expuestas. Dicho PPE está conformado por ropa resistente a la flama, casco, protector para cara, lentes, guantes y zapatos de seguridad. El cálculo de los riesgos es realizado mediante diversos métodos. El método que se determine puede estar basado en la información disponible, volúmenes de cálculo de trabajo, la necesidad de precisión, la disponibilidad y la calidad del programa de protección. Cualquier método empleado, requiere que lo realice personal calificado, el cual debe darse cuenta de las limitaciones que el método contiene, con la finalidad de obtener los mejores resultados. Los métodos para el análisis deberán estar de acuerdo a lo establecido por las normas:

a. IEEE Std 1584. IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations. 2002

b. IEEE C 37.20.7:2001, IEEE Guide for Testing Medium-Voltage Metal-Enclosed switchgear for Internal Arcing Faults

c. NFPA 70E. Standard for Electrical Safety in the Workplace. 2004

d. IEC 62271-200

El uso de equipo de protección personal, tal vez no garantice la exposición a las altas temperaturas y los daños por las explosiones, pero reduce las quemaduras a grados considerados curables.

3.2.4. Reducción de las posibilidades de aparición de un arco eléctrico La disposición de los elementos debe de poder hacer frente a los riesgos correspondientes.

a. riesgos tipo 1: Se deben al conjunto de la instalación, entre otros a la calidad de los aislantes, distancias mínimas de

aislamiento, apriete adecuado de las conexiones, rigidez de las barras entre los soportes, dimensionado de las

barras para soportar eventuales sobreintensidades (calentamientos, resonancia), accesibilidad de animales a las

partes con tensión. Estos riesgos pueden eliminarse con una construcción esmerada y con una verificación

exhaustiva al acabar el montaje en el taller del montador, previo a la conexión en el lugar de utilización. Hay que

destacar la importancia que tiene el diseño del material en sí mismo; los conocimientos técnicos y la experiencia del

personal de ingeniería del estudio del que depende directamente la seguridad de la explotación de las

instalaciones.

b. riesgos tipo 2: Se deben a accidentes más o menos previsibles como entrada intempestiva de agua o de vapor de

agua en un tablero, choque de vehículos o cargas debidos a falsas maniobras, vibraciones excesivas producidas por

la proximidad de ciertas máquinas. Si bien estos riesgos no pueden eliminarse totalmente, siempre se pueden

minimizar escogiendo con cuidado los lugares de implantación de las diferentes partes de la instalación.

c. riesgos tipo 3: Se deben a la intervención de las personas y están directamente relacionados con la actuación y el

respeto a las normas de explotación y de intervención del personal. Debe de garantizarse la competencia del

personal autorizado para intervenir, de la seriedad que este personal tenga en su trabajo depende directamente la

seguridad del conjunto de la instalación o de una industria y hasta su propia seguridad. Siempre es posible diseñar y

realizar o adecuar los tableros, donde los juegos de barras y sus derivaciones estén al amparo de toda intervención

torpe del personal.




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4. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA El sistema de puesta a tierra se establece con objeto, principalmente, de limitar la tensión que con respecto a tierra puedan presentar en un momento dado las masas metálicas, asegurar la actuación de las protecciones y eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en el material utilizado. Además el sistema de puesta a tierra se usa para:

a. Obtener una resistencia eléctrica lo más baja posible para derivar a tierra corriente de falla, fenómenos eléctricos

transitorios, corrientes estáticas y parásitas; así como ruidos eléctricos y de radio frecuencia.

b. Mantener los potenciales producidos por las corrientes de falla dentro de los límites de seguridad de modo que las

tensiones de paso o de contacto no sean peligrosas para los humanos y/o animales.

c. Hacer que el equipamiento de protección sea más sensible y permita una rápida derivación de las fallas a tierra.

d. Proporcionar un camino de derivación a tierra de descargas atmosféricas, transitorios y de sobretensiones internas

del sistema.

e. Ofrecer en todo momento y por un lapso prolongado baja resistencia eléctrica que permita el paso de las corrientes

derivadas.

f. Servir de continuidad de pantalla en los sistemas de corriente continua.

4.1. DEFECTO A TIERRA La pérdida de aislamiento entre conductores normalmente en tensión y piezas conductoras expuestas puede generar un defecto, lo que se denomina defecto a tierra. Las causas principales de la pérdida de aislamiento son:

Deterioro de las propiedades dieléctricas de aislantes (envejecimiento, calentamiento, descargas parciales, etc.)

Acción de roedores

Rotura mecánica (p. ej. corte de un cable en el suelo por parte de una excavadora)

Excitación de piezas conductoras expuestas

Entornos especialmente agresivos (presencia de polvo, humedad, contaminación, etc.)

Arcos eléctricos localizados y sobrecalentamientos.

Sobretensiones de origen atmosférico o conmutaciones eléctricas.

Fenómenos de erosión de los cables y electrodos de tierra.

La corriente de defecto a tierra empieza como un arco localizado en el punto en que ha fallado el aislamiento; este arco se caracteriza por un nivel de corriente bastante moderado, del orden de decenas de miliamperios. Posteriormente, el defecto evoluciona más o menos rápidamente para convertirse en una falla entre tierra y fase verdadera. Si los dispositivos de protección no lo interrumpen rápidamente, este defecto puede acabar afectando a todas las fases, creando un cortocircuito trifásico con




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contacto a tierra. Por lo tanto, la primera consecuencia de la corriente de defecto a tierra es el daño provocado a la planta, ya sea debido a las moderadas corrientes de arco iniciales que, debido a la dificultad de detección por parte de los relés de sobreintensidad, pueden continuar durante períodos elevados de tiempo e iniciar un incendio, o bien debido al cortocircuito que se desarrolla después de que se haya puesto en peligro la integridad de toda la planta. Otra consecuencia importante de la corriente de defecto a tierra es el peligro para el personal provocado por el contacto indirecto, es decir, tras el contacto con piezas conductoras expuestas que se han excitado accidentalmente debido a un deterioro del aislamiento.

4.2. CONEXIÓN A TIERRA (ECT) EN PLANTA PGSM Y ETILENO SAN LORENZO El ECT de las plantas, salvo áreas de tanques de almacenamiento, corresponde al TN S por áreas de procesos no equipotencializadas entre ellas en general.

4.3. CONEXIÓN A TIERRA DE LA RED DE MT Las normas y reglamentos obligan a proteger toda instalación eléctrica contra los contactos directos e indirectos. En general, los dispositivos de protección aseguran el corte automático de la alimentación (al primer o al segundo defecto fase-tierra, según el esquema de conexión a tierra utilizado).

4.3.1. Canalizaciones eléctricas Las canalizaciones eléctricas son una parte importante de la inversión total de una instalación eléctrica. Por tanto, por motivos de seguridad y costo es importante escoger el mejor tipo de canalización (cable), específica. El esquema de conexión a tierra de una red en AT, puede determinarse en función de los criterios indicados en 4.4.3. Pero, muy frecuentemente pueden coexistir, en una misma red industrial, diferentes esquemas, cada uno con sus ventajas características determinadas.

4.3.2. Coordinación del aislamiento La coordinación del aislamiento tiene por objeto el conseguir de la mejor forma posible el equilibrio técnico-económico de la protección de personas y materiales contra las sobretensiones que puedan aparecer en las instalaciones eléctricas, que puedan tener origen tanto en la propia red como en el rayo. Hay tres tipos de sobretensiones que pueden provocar una perforación y, por tanto, un defecto de aislamiento con o sin la destrucción del material:

a. sobretensiones a frecuencia industrial (50 a 500 Hz)

b. sobretensiones de maniobra

c. sobretensiones atmosféricas (descarga de rayo).

La coordinación del aislamiento favorece una mejor disponibilidad de la energía eléctrica.

4.3.3. Criterios y esquemas La conexión a tierra para una red industrial AT debe respetar al menos algunos de los siguientes criterios:

a. legislación en vigor,

b. exigencias debidas a la red física,

c. exigencias debidas a la explotación de la red,

d. exigencias debidas a la naturaleza de los receptores

e. atenuar riesgos en casos de falla

Existen cinco esquemas posibles: a. neutro directo a tierra.

b. neutro conectado a tierra a través de una reactancia.

c. neutro conectado a tierra a través de una reactancia sintonizada.

d. neutro conectado a tierra a través de una resistencia.

e. neutro aislado.

Cada uno de estos esquemas tiene sus ventajas y sus inconvenientes. La tabla de la figura 10 los agrupa a todos.




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Figura 10: Ventajas e inconvenientes de los esquemas de conexión a tierra posibles en una red industrial en MT

4.4. CONSIDERACIÓNES SOBRE LA PUESTA A TIERRA EN AREAS PELIGROSAS Las corrientes estructurales de falla que surgen de los equipos eléctricos que operan en zonas de riesgo no deben convertirse en una fuente de calor o chispas. Estos equipos deben estar adecuadamente conectados a tierra durante toda la vida útil de la instalación. La conducción de la corriente de falla debe estar perfectamente definida asegurando el corte de la misma por medio de protecciones en el mínimo tiempo posible y adecuado. Debe tenerse en cuenta que cuando ocurre una falla de corriente elevada, incluso durante el breve periodo de tiempo entre la ocurrencia de la falla y el funcionamiento de la protección, pueden aparecer sobretensiones en otros lugares del área peligrosa. El aislamiento adecuado entre los circuitos impide que esta situación represente un riesgo. La calidad de los conductores de tierra y equipotencialización es un requisito exigible.

4.4.1. Potencia disipada La figura 11 muestra un posible cortocircuito de 4000A a través de una resistencia de 0,005 Ω generando una elevación de 20 V a través de los conductores en la zona de peligro. La potencia disipada en la resistencia es de 80 kW. Si los conductores en la zona peligrosa tuvieran una R= 0,005 Ω, considerando una ruta de cortocircuito a tierra a través de la tierra de la planta, la disipación sería de 40 kW. El efecto de calentamiento sería calamitoso si el fusible en este ejemplo o la protección eléctrica en general no funcionaran.

Figura 11: Cortocircuito y disipación térmica




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4.4.2. Puesta a tierra y conexiones equipotenciales En áreas peligrosas la puesta a tierra persigue cinco objetivos principales:

a. reducir el riesgo de descargas eléctricas sobre el personal

b. permitir utilizar dispositivos de protección eléctrica en fallas a tierra

c. proteger personas, equipos e instalaciones de las descargas atmosféricas

d. controlar la descarga electrostática

e. minimizar la interferencia eléctrica.

Las conexiones de equipotencialización eliminan las diferencias de potencial entre partes conductoras. Uniendo conductivamente las estructuras y éstas a su vez a la red de PAT hay dos caminos de retorno que actúan en paralelo mejorando la integridad del sistema, asegurando de esta manera un camino de baja impedancia para la conducción de la falla y evitando las diferencias de potencial en las partes metálicas de equipos y estructuras (Figura 12).

4.4.3. Capacitancia parásita Es la capacitancia que existe entre un conductor en operación y la tierra y los materiales metálicos circundantes. En un motor eléctrico (Figura 13), la capacitancia entre los devanados de campo y la estructura metálica permitiría alcanzar un elevado potencial en la carcasa en caso que dicha carcasa no estuviera conectada a tierra, sin embargo, en condiciones de funcionamiento normales una pequeña corriente alterna a fluirá a través de la estructura en función del valor de la capacitancia, la tensión aplicada y la construcción del motor. Por lo tanto cualquier equipo eléctrico, motores, transformadores, etc. requerirán de la puesta a tierra.

Figura 12: Estrategia de PAT en áreas peligrosas

Figura 13: Capacitancia parásita




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4.4.4. Conductor de protección La sección de todo conductor de protección debe satisfacer las condiciones de la desconexión automática de la alimentación requerida en 771.18.4.3 de esta Reglamentación y ser capaces de soportar las corrientes presuntas de falla. La sección de los conductores de protección debe ser: o bien calculada o bien elegida de acuerdo con la Tabla 771-C.11. La sección del conductor de protección no sera menor que el valor determinado a partir de IEC 60949, o por la siguiente fórmula (aplicable solamente para tiempos de desconexion t): 0,1 s ≤ t < 5 s.

S = Sección del conductor de protección en mm2 I = Valor eficaz, en ampere, de la corriente presunta de falla que puede atravesar el dispositivo de protección durante un defecto de impedancia despreciable. k = Factor cuyo valor depende de la naturaleza del metal de los conductores de protección, de los aislantes y de otras partes y de las temperaturas iniciales y finales del elemento conductor. t = Tiempo de operación disparo o funcionamiento del dispositivo de protección por desconexión automatica, en segundos. Se debera tener en cuenta el efecto Iimitador de la corriente, debido alas impedancias del circuito y la capacidad de limitación I

2 t

(integral de Joule) del dispositivo de protección. Si de la aplicación de la formula se obtienen secciones no normalizadas, se deben utilizar conductores de la sección normalizada inmediata superior. Es necesario que la sección asi calculada, sea compatible con las condiciones impuestas por la irnpedancia dellazo de falla. Para los Iimites de temperatura de las instalaciones en atmósferas explosivas, ver IEC 60079-0. Deberan tenerse en cuenta las temperaturas maximas admisibles para las conexiones. El factor k puede calcularse de la siguiente manera:

Donde: QC: capacidad térmica por unidad de volumen del material del conductor en [J/°C·mm

3]

B: valor inverso del coeficiente de temperatura de la resistividad a 0°C para el conductor. ρ20 es la resistividad del material del conductor a 20°C en [Ω mm2] Ti: temperatura inicial del conductor en [°C] Tf: temperatura final del conductor en [°C]

La sección minima de cualquier conductor de protección, que no forme parte del cable de alimentación debera tener un valor de: > 2,5 mm2 Cu / 16 mm 2 AI, si los conductores de protección poseen una protección mecánica. > 4 mm2 Cu / 16 mm 2 AI, si los conductores de protección no poseen protección mecanica. Cuando un conductor de protección es comun a varios circuitos, la sección del conductor de protección se dimensionará: a. Calculada para las condiciones mas desfavorables de corriente de falla y tiempo de disparo encontradas en dichos circuitos. b. Elegida de acuerdo con la Tabla 771-C.1I teniendo en cuenta la mayor sección (equivalente) de los conductores de Iínea presentes en los circuitos. Nota: Cuando la sección de un conductor de fase se elige por la caida de tension y no por su corriente admisible, se permite que la sección del conductor de protección se elija a partir de la condición mas desfavarable de corriente presunta de falla y tiempo de disparo encontradas en dichos circuitos.

4.4.5. Conexiones Para asegurar su efectiva puesta a tierra, se realizara la conexión de todos los elementos metálicos con el conductor de protección, para lo cual todas las cajas metálicas, canalizaciones metálicas, los tableros y equipos deberán disponer de bornes o barras de tierra claramente identificados, ya sea con el símbolo que se corresponde con el símbolo N° 5019 de IEC 60417, o con las letr as PE o por la combinación bicolor verde y amarillo. Las indicaciones no serán fijadas ni colocadas sobre un tornillo, arandela u otras partes que puedan ser removidas en la conexión de los conductores. Se asegurara además la continuidad eléctrica entre las cajas y los conductos metálicos que a ella acometen, utilizando dispositivos apropiados, no susceptibles de desconexión accidental o involuntaria. La eventual bornera de conexión de esos aparatos incluirá el borne para la puesta a tierra, debidamente identificado. En los equipos o materiales conectados con cables flexibles, se deberán tomar los recaudos para que el conductor de protección




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incorporado en el cable, sea el último en ser interrumpido, en caso de falla del dispositivo de retención o prensa cable. En todos los tableros o gabinetes construidos con materiales aislantes o metálicos, que requieran barra de tierra, se deberá instalar una barra de tierra para poder conectar:

a. el o los conductores de puesta a tierra (si fuera la barra equipotencial principal o la barra principal de tierra) b. los conductores de protección de entrada y salida que llegan y los de protección de salida, debiéndose emplear un

borne o perforación por conductor de protección (no está permitida la conexión de más de un conductor por borne)

c. los conductores equipotenciales. Conexiones equipotenciales: En cada edificio se debe efectuar la igualación (o nivelación) de potencial o equipotencialidad de todas las masas presentes en el mismo. La conexión equipotencial no permite la presencia de tensiones de contacto entre elementos metálicos e inclusive, en el caso de descargas atmosféricas, evita la aparición de peligrosos arcos disruptivos. Las conexiones equipotenciales se pueden clasificar en:

1. Conexión equipotencial principal. 2. Conexión equipotencial suplementaria. 3. Conexión equipotencial para la protección contra las descargas atmosféricas.

Conexión equipotencial principal: Todos los edificios deberán contar con un sistema de equipotencialización principal; este sistema se conformara a partir de una barra equipotencial principal (BEP) a la cual se conectaran los siguientes elementos:

a. el conductor de puesta a tierra desde el o los electrodos específicos. b. barra principal de tierra (si es que no coincide con la barra equipotencial principal). c. cuando la barra principal de tierra y la barra equipotencial principal coinciden, los conductores de protección PE,

que pondrán a tierra las masas de los equipos eléctricos, tableros, bornes de tierra de los tomacorrientes y de las cajas, cañerías, bandejas portacables, canalizaciones metálicas, etc. (cuando la barra principal de tierra y la barra equipotencial principal no coinciden, los conductores de protección PE deberán conectarse a la barra principal de tierra) ya través de los conductores de equipotencialización principal y suplementarios

d. las masas extrañas que forman parte de la estructura metálica. e. las masas extrañas que forman parte de las canalizaciones no eléctricas tales como agua, gas, desagües, etc. f. las masas extrañas que forman parte de las canalizaciones de otros servicios (conductos de aire acondicionado y

calefacción) g. las masas extrañas que forman parte de la estructura metálica del hormigón armado (armadura). h. otras masas extrañas tales como guías de ascensores, marcos metálicos, etc. cuando sean accesibles durante el uso

normal o, en el caso, por ejemplo, de los marcos metálicos, cuando haya riesgo de contacto simultaneo con estas masas extrañas y una o varias masas eléctricas;

i. las pantallas metálicas de los cables de telecomunicaciones, señales y datos con el consentimiento de los propietarios y usuarios de los mismos; Nota: Si no puede obtenerse esta autorización, es responsabilidad del propietario o del usuario de estos cables evitar todo peligro debido a la exclusión de la conexión de estos cables a la conexión o enlace equipotencial principal. Esta responsabilidad se extenderá a las empresas prestatarias de servicios no eléctricos que no autoricen tal conexión.

j. la conexión a tierra prevista en los dispositivos de protección contra sobretensiones (vías de chispas de separación, descargadores de sobretensión, etc.). Cuando tales elementos conductores provengan del exterior del edificio, deben conectarse lo más cerca posible a su punto de entrada al inmueble. Para la determinación de las secciones mínimas de los conductores de equipotencialidad principal.

Conexión equipotencial para la protección contra descargas atmosféricas: Cuando un inmueble requiere protección primaria contra los rayos, se deberá cumplir con lo indicado en la serie de normas IEC 62305. En estos casos además de las equipotencializaciones se deberá conectar (equipotencializar) a la BEP el sistema de puesta a tierra de la instalación primaria de protección contra las descargas atmosféricas (pararrayos). Cuando la instalación incorpore protección contra las sobretensiones (altamente recomendada) los DPS (dispositivos de protección contra las sobretensiones) deberán también conectarse a la BEP o en su defecto a la barra de puesta a tierra.




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5. ESQUEMAS DE CONEXIÓN A TIERRA (ECT) Y PROTECCIÓN DE LAS PERSONAS Para el estudio de los ECT y de las protecciones asociadas, la hipótesis que tienen en cuenta los redactores de normas es que si Uc es igual a Ud, aplica porque Uc es, al menos, igual a Ud , siendo Ud la tensión (llamada de defecto) respecto a la tierra profunda de la masa del aparato eléctrico que tiene un defecto de aislación y Uc la tensión de contacto que depende del potencial Ud y de la referencia de potencial de la persona expuesta al riesgo, generalmente el suelo. La gestión del riesgo eléctrico se optimiza con la prevención. Si se produce un defecto de aislamiento y éste genera una tensión de defecto peligrosa, hay que eliminarlo desconectando automáticamente la parte de la instalación donde se produce el efecto. La forma de suprimir el riesgo depende entonces del ECT. La identificación de los tipos de esquema se expresa con dos letras:

a. la primera para la conexión del neutro del transformador con 2 casos posibles: T para conectado a tierra. I para

aislado de tierra.

b. la segunda identifica el tipo de conexión de las masas de los receptores con 2 casos posibles: T para masa

conectada directamente a tierra. N para masa conectada al neutro en el origen de la instalación; instalación que ha

de estar conectada a tierra.

La combinación de estas dos letras genera tres configuraciones posibles: a. TT: neutro del transformador T y masa T.

b. TN: neutro del transformador T y masa N.

c. IT: neutro del transformador I y masa T.

El esquema TN, según IEC 60364 implica varios subesquemas: a. TN-C: si los conductores del neutro N y el conductor de protección PE coinciden (PEN).

b. TN-S: si los conductores del neutro N y el conductor de protección PE están separados,

c. TN-C-S: utilización de un TN-S aguas abajo de TN-C, (al revés, está prohibido).

Si se utiliza el TN, es obligatorio el TN-S para redes que tengan conductores de sección menor o igual que 10 mm2 de cobre. Cada ECT puede aplicarse a todo el conjunto de una instalación eléctrica de BT; pero también pueden coexistir varios ECT en una misma instalación.

5.1. ESQUEMA TN Ante un defecto de aislamiento, la corriente de defecto Id no está limitada más que por la impedancia de los cables del bucle del defecto (figura 14):

Figura 14: Corriente y tensión de defecto en el esquema TN

Durante un cortocircuito, se admite que las impedancias aguas arriba de la salida considerada provocan una caída de tensión del orden del 20% sobre la tensión simple Uo, de ahí el coeficiente 0,8. La corriente Id provoca la aparición de una tensión de defecto, respecto a tierra. Para redes de 220/380 V, esta tensión, del orden de Uo/2 (si RPE = Rfase) es peligrosa, porque es superior a la tensión límite de seguridad, incluso en un lugar seco (UL = 50 V). Por tanto, es necesario asegurar la desconexión automática e inmediata de la instalación o de parte de la misma (figura 15). Siendo el




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defecto de aislamiento similar a un cortocircuito fase-neutro, el corte debe de realizarse con un dispositivo de protección contra cortocircuitos (DPCC) con un tiempo máximo de corte especificado en función de UL. Para que la protección sea realmente activa hace falta, sea el que sea el punto del defecto, que la corriente Id sea superior al umbral de funcionamiento instantáneo de la protección: Id > Ia. La longitud máxima de los conductores para asegurar la actuación de las protecciones frente a las corrientes mínimas de defecto está indicada en la Reglamentación AEA. Para garantizar esta condición hay otra forma que consiste en imponer un valor máximo de impedancia a los bucles de defecto en función del tipo y calibre de los DPCC escogidos. Este método puede llevar a aumentar las secciones de los conductores activos y/o de protección. Otro aspecto a comprobar, para asegurar que el DPCC protegerá a las personas, es calcular la longitud máxima de cable, que ninguna salida habrá de sobrepasar, para un margen de protección Ia dado. Si la línea tiene una longitud mayor que Lmáx, hay que disminuir Ia, o bien aumentar la sección del cable PE (SPE), o instalar un Dispositivo Diferencial Residual (ID).

Figura 15: Tiempos de corte en el ECT TN según IEC 60364

5.2. ESQUEMA TT Ante un fallo de aislamiento, la corriente de defecto Id (figura 16) queda limitada, sobre todo, por las resistencias de tierra cuando la conexión a tierra de las masas y la conexión a tierra del neutro no son la misma.

Figura 16: Corriente y tensión de defecto en el esquema TT

Siendo normalmente bajas las resistencias de tierra y del mismo orden de magnitud (≈ 10 Ω), esta tensión, del orden de Uo/2, es peligrosa; por tanto, es obligatorio prever una desconexión automática de la parte de la instalación afectada por el defecto (Figura 17). En la cabeza de la instalación es necesario colocar al menos un ID. Para mejorar la disponibilidad de la energía eléctrica el

empleo de varios ID permite conseguir una selectividad de disparo amperométrica y cronométrica. Todos estos ID tendrán un margen de corriente asignada IΔn inferior a Id0. La desconexión de la tensión, por la actuación de los ID, debe de hacerse según la




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norma, en menos de 1 segundo. Hay que destacar que la protección por medio de ID es independiente de la longitud de los cables y permite varias tomas de tierra Ra separadas (disposición no deseable, porque el PE ya no es una referencia de potencial única para el conjunto de la instalación).

5.3. ESQUEMA IT El neutro del transformador no está conectado a tierra. De hecho, está naturalmente conectado a tierra a través de las capacidades parásitas de los cables de la red y/o voluntariamente mediante una impedancia de valor elevado, aproximadamente unos 1500 Ω (neutro impedante), las masas de los receptores eléctricos están conectadas a tierra. Si se produce un defecto de aislamiento, se desarrolla una pequeña corriente debido a las capacidades parásitas de la red (figura 18a). La tensión de contacto que aparece en la toma de tierra de las masas (más o menos de algunos voltios) no representa ningún peligro. Si se presenta un segundo defecto de aislamiento en otra fase, cuando todavía no ha sido eliminado el primero (figuras 18b y 18c), las masas de los receptores afectados pasan al potencial producido por la corriente de defecto en los conductores de protección (CP) que los interconecta. La protección queda asegurada por los DPCC (caso de masas interconectadas mediante el CP) o por los ID (caso de masas que tengan tomas de tierra distintas).

5.3.1. Ejemplo de cálculo de las corrientes de falla y de la tensión de contacto con un primer defecto En los casos siguientes, estudiados para ZN = ∞ (neutro aislado) y ZN = 1 kΩ (neutro impedante), los cálculos se efectúan para una red con esquema IT, de 400 Vca (U0 = 230 V), con RA (resistencia de la toma de tierra) = 10 Ω y Rd (valor del defecto de aislamiento) de 0 a 10 kΩ. Caso 1: Red muy poco capacitiva donde C1 = C2 = C3 = C = 0,3 μF por fase. Caso 2: Red de potencia, con C1 = C2 = C3 = C = 1,6 μF por fase. Caso 3: Red extensa de potencia, con C1 = C2 = C3 = C = 10 μF por fase (alrededor de 40 km de cables) Los resultados de todos estos cálculos, reunidos en la tabla de la figura 13, confirman el bajo valor de la tensión de defecto (≈ 20 V en los casos más desfavorables) que permite mantener en servicio y sin peligro para las personas una red diseñada con esquema IT. Demuestra también que el añadir una impedancia entre el neutro y la tierra no tiene prácticamente incidencia en la variación de la tensión de contacto. Las curvas de la figura 14 representan estos resultados mostrando claramente la gran importancia que tiene el valor de la capacidad de la red en el valor de UC. Sea cual sea la capacidad repartida de la red sana o con un primer defecto, cualquier usuario puede recordar que esta tensión resulta siempre inferior a la convencional de seguridad, y por tanto, sin peligro para las personas; además, las corrientes de un primer defecto franco son bajas y en consecuencia poco destructivas y poco perturbadoras (CEM).

5.3.2. Doble falla de aislamiento La gran ventaja de explotar una red con el esquema IT consiste en la posibilidad de mantener la distribución eléctrica cuando se produce un defecto de aislamiento que afecta a un circuito. Esta ventaja ha sido perfectamente valorada por los editores de las normas que, para mantener alto el nivel de disponibilidad, recomiendan en las normas de instalación, señalizar y buscar el pr imer defecto para no temer un segundo defecto; segundo defecto para el que también están previstas las protecciones a fin de garantizar el mismo nivel de seguridad para las personas que con los otros esquemas TN y TT. Para analizar la doble falla de aislamiento las corrientes de defecto y las tensiones de contacto se calculan considerando dos defectos francos de aislamiento sobre dos conductores activos diferentes (sobre una fase y el neutro, si el neutro está distr ibuido, o sobre dos conductores de fases diferentes, si el neutro no está distribuido) de dos circuitos de sección y longitud idénticas. Esta hipótesis, que lleva a una corriente de defecto mínima, es la que habitualmente se utiliza para calcular las longitudes máximas protegidas por los dispositivos de protección contra cortocircuitos. Tensión de contacto y corriente de defecto doble cuando las masas están interconectadas: desde el momento en que se establece una corriente de defecto entre dos masas con defecto, circula una corriente por el conductor de fase y por el conductor de protección CP, que es el que establece la interconexión de las masas (figura 18b). Esta corriente no está limitada más que por la impedancia del bucle de defecto que es igual a la suma de las impedancias de los conductores activos afectados y del circuito de las conexiones equipotenciales (CP). Tensión de contacto y corriente de defecto con un defecto doble cuando las masas no están interconectadas: en el caso de dos defectos que se producen en dos receptores conectados a tomas de tierra diferentes (figura 18c), la corriente de defecto Id se cierra por tierra y queda limitada por las resistencias de las tomas de tierra RA y RB. Método convencional para el cálculo de las corrientes de defecto para una instalación eléctrica: se basa la hipótesis simplificadora que consiste en considerar que durante el defecto la tensión en el origen de la derivación considerada es igual al 80% de la tensión nominal de la instalación, supone que la impedancia de la derivación considerada representa el 80% de la impedancia total del bucle de defecto y que la impedancia aguas arriba representa el 20% restante.

Figura 17: Límite superior de la resistencia de la toma de tierra en función de la sensibilidad de los ID y de la tensión UL.




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Figura 18: Defecto de aislamiento simple (a) y doble (b y c) en una red explotada en IT




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Figura 19: Cuadro comparativo de Id y Uc durante un primer defecto

Figura 20: La tensión de contacto durante un primer defecto de aislamiento es siempre inferior a la tensión de seguridad

Aplicando el método convencional de cálculo al análisis de las tensiones de contacto a masas que estén o no interconectadas se verifica en ambos casos que dichas tensiones son peligrosas y por tanto la falla debe eliminarse por medio de la apertura del circuito mediante protecciones contra cortocircuitos en los tiempos que indica la norma IEC 60 364 (Figura 21). Este método no se puede aplicar a una instalación alimentada por un grupo electrógeno, porque durante el defecto la tensión en el origen de la red considerada es baja (<< 0,8 Un), puesto que la impedancia del alternador es alta respecto a las impedancias de la red que alimenta. En este caso, sea el que sea el ECT, sólo se pueden aplicar los métodos completos de cálculo electrotécnico.

5.3.3. Sobretensiones en el esquema IT Pueden distinguirse cuatro fallas por sobretensiones: debidas a defectos de aislamiento, a cebados internos en los transformadores MT/BT, a descargas de rayo en las redes MT aguas arriba y sobretensiones debidas a descargas de rayo en los edificios de la instalación. La norma IEC 60364-4-442 fija los valores de rigidez o resistencia a la tensión a frecuencia industrial de los materiales BT y su duración. Limitador de sobretensión: es un accesorio imprescindible del ECT IT. Hay que conectarlo lo más cerca posible del transformador MT/ BT entre el neutro y tierra, o entre la fase y tierra si el acoplamiento secundario del transformador es en triángulo o no hay salida de neutro. El limitador no es necesario sobre la red aguas abajo del transformador BT/BT. La norma CEI 60364 no obliga al uso de limitadores de sobretensión, considerando que la probabilidad de defecto MT/BT es baja. Sin embargo, está demostrado que cuando se produce este defecto tiene normalmente consecuencias graves.

5.3.4. Evolución del esquema IT Hoy día, el régimen IT está muy próximo al TN-S en términos de instalación (un limitador de sobretensión y además un controlador de aislamiento). Es el campeón de la continuidad de explotación y de la seguridad al primer defecto, si se busca y elimina rápidamente. Tras la generalización del PE distribuido en toda la instalación (como en el TN) este régimen, para el que la corriente del segundo defecto no puede ser limitada, no debería evolucionar más que a nivel de técnicas de búsqueda rápida del defecto. Dado que la probabilidad de defecto doble aumenta con el número de cargas y la longitud de la instalación, debería reservarse su empleo a partes de la red, a los circuitos de mando y control utilizando transformadores de aislamiento.

Figura 21: Tiempo máximo de corte prescrito para el ECT IT ( IEC 60364)




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5.4. CUADROS COMPARATIVOS DE LOS ECT

(1) Si la normativa no exige la elección de un ECT, se selecciona de acuerdo con el nivel de las características de funcionamiento (continuidad de servicio obligatoria por razones de seguridad o deseable para aumentar la productividad, etc.). Independientemente del ECT seleccionado, la probabilidad de que se produzca un defecto de aislamiento aumenta con la longitud de la red. Puede resultar conveniente dividir la red, lo cual facilita la localización de defectos y hace posible implementar el esquema recomendado anteriormente para cada tipo de aplicación. (2) El riesgo de arco en el limitador de sobretensiones convierte el conductor neutro aislado en un conductor neutro conectado a tierra. Estos riesgos son elevados en zonas donde son frecuentes las tormentas o en instalaciones suministradas por líneas aéreas. Si se selecciona el esquema IT para asegurar un nivel de continuidad de servicio más alto, el proyectista del sistema deberá calcular con precisión las condiciones de disparo en caso de producirse un segundo defecto. (3) Riesgo de disparo intempestivo del ID. (4) Independientemente del ECT elegido, la solución idónea consiste en aislar la sección sometida a perturbaciones. (5) Riesgos de defectos de fase a tierra que afectan a la equipotencialidad. (6) El aislamiento es inestable debido a la humedad y al polvo conductor. (7) No se recomienda utilizar el esquema TN debido al riesgo de que se produzcan daños en el generador en caso de defecto interno. Además, si los equipos de seguridad reciben su suministro de generadores, el sistema no se debe disparar en caso de un primer defecto. (8) La corriente de fase a tierra puede ser varias veces mayor que In, con el riesgo de dañar o acelerar el envejecimiento de los devanados del motor, o de destruir los circuitos magnéticos. (9) Para combinar la continuidad de servicio y la seguridad es necesario, y muy recomendable, independientemente del ECT seleccionado, separar estas cargas del resto de la instalación (transformadores con conexión neutra local). (10) Si la calidad de los equipos de carga no es una prioridad del diseño, existe el riesgo de que la resistencia de aislamiento descienda rápidamente. El esquema TT con ID ofrece la mejor manera de evitar problemas. (11) La movilidad de este tipo de carga provoca defectos frecuentes (contacto deslizante para la conexión de las partes conductoras accesibles) que deben contrarrestarse. Independientemente del ECT seleccionado, se recomienda suministrar estos circuitos mediante transformadores con una conexión neutra local.




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(12) Requiere el uso de transformadores con un esquema TN local para evitar riesgos de funcionamiento y disparos intempestivos en caso de producirse un primer defecto (TT) o un doble defecto (IT). (12 bis) Con un corte doble en el circuito de control. (13) Limitación excesiva de la corriente de fase a neutro debido al valor elevado de la impedancia de fase cero (al menos 4 a 5 veces la impedancia directa). Este sistema se debe sustituir por una disposición de estrella-triángulo. (14) El esquema TN es peligroso debido a las corrientes de defecto elevadas. El esquema TN-C está prohibido. (15) Independientemente del esquema, el DDR debe ajustarse a ΔIn ≤ 500 mA. (16) Una instalación suministrada con energía de baja tensión debe utilizar el esquema TT. El mantenimiento de este ECT requiere un mínimo de modificaciones en la red existente (no es necesario tender cables ni es preciso modificar dispositivos de protección). (17) Posible sin personal de mantenimiento altamente cualificado. (18) Este tipo de instalación requiere una atención especial para mantener la seguridad. Debido a la ausencia de medidas preventivas en el esquema TN, se necesita personal altamente cualificado para garantizar la seguridad con el paso del tiempo. (19) Los riesgos de roturas en los conductores (suministro, protección) pueden provocar la pérdida de equipotencialidad de las partes conductoras accesibles. Se recomienda, y a menudo es obligatorio, el uso de un esquema TT o un esquema TN-S con varios ID de 30 mA. El esquema IT se puede utilizar en casos muy específicos. (20) Esta solución evita los disparos intempestivos en caso de fugas a tierra inesperadas.




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ECT APLICACIÓN PRINCIPAL VALORES TÍPICOS DE LAS CORRIENTE DE

FALLA OBSERVACIÓNES

TT

Instalaciones domésticas y similares; industrias pequeñas con fuente de alimentación en BT

10/1000 A

Los sistemas de distribución TT se utilizan cuando es imposible garantizar la distribución del conductor de protección (PE), y cuando es aconsejable dejar que el usuario se encargue de la protección contra contactos indirectos.

TN Industrias e instalaciones grandes con fuente de alimentación MT

Valores similares a los del defecto monofásico.

Los sistemas de distribución TN son los sistemas a través de los cuales la alimentación se distribuye a usuarios que tienen su propia subestación transformadora; en estos casos, el conductor de protección puede garantizarse fácilmente

IT

Industrias química y petroquímica, es decir, plantas para las cuales la continuidad del servicio es fundamental

μA / 2 A en función del tamaño de la instalación; en caso de defecto a tierra doble, la corriente de defecto adopta valores típicos de los sistemas TT o TN en función de la conexión a tierra de las piezas conductoras expuestas.

Este tipo de sistema resulta ser especialmente adecuado en los casos en los que debe garantizarse la continuidad del servicio, ya que la presencia de un primer defecto no provoca corrientes elevadas y/o corrientes peligrosas para las personas.

ECT COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA

(CEM) OBSERVACIÓNES

TT

Apropiado hasta cierto punto Entre la conexión de tierra de la red de distribución principal y la de la instalación eléctrica fluyen corrientes de fallos provocadas por contactos de tierra dentro del sistema. Al igual que sucede con las corrientes de compensación, las diferencias de potencial se deben a las corrientes de fuga de los dispositivos. Estas corrientes de compensación pueden provocar acoplamientos perturbadores o incluso fallos irreversibles en la instalación. Como solución se puede utilizar un conductor de igualación de potencial entre los dispositivos conectados directamente a tierra. Esta medida convierte básicamente el sistema TT en un sistema TN-S.

Es obligatorio el uso de un interruptor contra corrientes de fallo para proteger a las personas Deben instalarse descargadores de sobretensión (distribuidos en los cables de transmisión) Este tipo de red precisa medidas adecuadas para los dispositivos con un alto potencial de corrientes de fallo situados en dirección de salida detrás del interruptor de protección de corrientes de fallo.

TN-C TN-C-S

Insuficiente Como los sistemas TN-C y TN-C-S combinan las funciones de conductor funcional y conductor de protección, durante el funcionamiento normal pueden producirse corrientes de retorno en los conductores PEN. Estas corrientes de retorno pueden provocar en los dispositivos acoplamientos perturbadores a través de los conductores PEN.

Debido a las grandes corrientes del conductor PEN, este sistema no se admite en lugares que tengan fuentes especialmente peligrosas. Si en la instalación se utilizan dispositivos con alto grado de distorsión armónica, no es recomendable el uso de este sistema.

TN-S

Muy bueno Desde el punto de vista de la CEM, el sistema TN-S es la mejor solución. Los conductores PE no presentan corriente durante el funcionamiento normal.

Para evitar que se produzcan incendios, debe instalarse un interruptor de protección de corrientes de fallo de 500 mA. En el caso de utilizar dispositivos con un alto potencial de corrientes de fallo situados en la dirección de salida detrás del interruptor de protección, deberán tomarse las medidas pertinentes.

IT

Insuficiente Nota: En lo que se refiere a la seguridad del equipamiento, es recomendable la utilización del sistema IT ya que no permite que aparezcan arcos voltaicos

No es posible instalar filtros para las corrientes perturbadoras asimétricas. Sólo se dará una buena compatibilidad electromagnética en aquellos sistemas (edificios) donde todos los dispositivos estén unidos a la misma conexión a tierra. En ciertos casos será necesario dividir la instalación para limitar la longitud de los cables y corrientes de fallo.




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5.5. PROTECCIONES ELÉCTRICAS SEGÚN EL ECT La elección de un ECT tiene consecuencias en términos de seguridad (en sentido amplio), pero también en cuanto a la instalación, especialmente en lo que se refiere a los dispositivos de protección.

5.5.1. TN En este esquema, el equipamiento lo constituyen los dispositivos de protección contra cortocircuitos (DPCC) integrados en los interruptores automáticos que aseguran en general la protección contra los defectos de aislación con un disparo automático conforme a un tiempo máximo de corte especificado (función de la tensión simple Uo (figura 9). La actuación del interruptor automático se produce según un margen de funcionamiento determinado por el tipo de relé (figura 22). En cuanto la corriente de defecto sobrepasa el umbral de disparo de la protección contra cortocircuito (generalmente instantánea), se produce una apertura en un tiempo netamente inferior al tiempo de corte máximo especificado.

Figura 22: Margen de funcionamiento de los DPCC

5.5.2. TT Como la corriente de defecto es muy débil no permite a los DPCC asegurar la protección de las personas contra contactos indirectos. Es necesario entonces emplear ID asociados a los interruptores a los interruptores (IEC 60364 § 413.1.4.2). Los dispositivos ID deben de cumplir una serie de normas, en especial:

a. IEC 60 755: reglas generales.

b. IEC 61 008: interruptores automáticos domésticos.

c. IEC 61 009: DPCC diferenciales domésticos.

d. IEC 60947-2: interruptores automáticos diferenciales industriales.

La instalación de ID debe de cumplir los siguientes objetivos: a. de protección de personas

b. sensibilidad IΔn ≤ UL/Ra.

c. tiempo de corte ≤ 1 s.

d. de continuidad del servicio, con umbrales y temporizaciones que permitan la selectividad.

e. de protección contra incendios, con IΔn ≤ 500 mA.

5.5.3. IT En caso de defecto doble, la seguridad de las personas queda asegurada por los DPCC. Durante el primer defecto de aislamiento la tensión de contacto es muy inferior a la tensión límite de seguridad, por tanto, la desconexión automática no es obligatoria. Es la ventaja esencial de este esquema. Para conservar esta ventaja, las normas recomiendan (IEC 60364 - § 413.1.5.4) la instalación de un Controlador Permanente de Aislamiento (CPI) y la búsqueda del primer defecto. Si aparece un segundo defecto, el corte automático es imprescindible, porque hay riesgo de electrocución, actuando entonces los DPCC, eventualmente con ID. La búsqueda del primer defecto para su reparación se facilita empleando dispositivos de localización de defectos. También es posible efectuar un mantenimiento predictivo, basado en el seguimiento (registro) de las variaciones de impedancias de aislamiento de cada circuito. Las redes BT, explotadas según el esquema IT y que tienen su origen en un transformador MT/BT, deben de estar protegidas contra los riesgos de defecto de aislamiento entre la MT y la BT por un limitador de sobretensión. Para fijar el potencial de la red de BT respecto a tierra y evitar el riesgo de ferrorresonancia, se puede instalar una impedancia entre el neutro del transformador y tierra. Su valor, que a 50 Hz es del orden de 1 500 Ω, es muy elevado en cc y en muy baja frecuencia, para no interferir en la medida de aislamiento y en la búsqueda de defectos.

5.6. PROTECCIONES DEL NEUTRO SEGÚN LOS ECT El neutro debe de cortarse cuando:

a. en régimen TT y TN, la sección del neutro es inferior a la de las fases.

b. en distribución final, puesto que frecuentemente se intercambian neutro y fase entre sí.




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El neutro debe de estar protegido y cortarse cuando: a. en régimen IT, por la actuación de la protección de doble defecto, pues uno de los defectos puede estar sobre el

neutro.

b. en régimen TT y TN-S, si la sección del neutro es inferior a la de las fases.

c. cualquiera que sea el ECT, si la instalación genera corrientes armónicas de tercer orden y sus múltiplos (sobre todo,

si la sección del neutro es reducida).




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6. PROTECCIÓN CON DISYUNTORES DIFERENCIALES DE CORRIENTE RESIDUAL El dispositivo diferencial está reconocido actualmente como un medio eficaz para asegurar, en BT, la protección de personas contra los riesgos eléctricos debidos a contactos directos o indirectos. Su perfecta elección y utilización requieren un buen conocimiento de las instalaciones eléctricas, especialmente de los esquemas de conexión a tierra, de las tecnologías que se utilizan y de sus posibilidades.

6.1. El dispositivo diferencial de corriente residual Un Dispositivo Diferencial de Corriente Residual (DDR), es un dispositivo de protección asociado a un captador toroidal que abarca los conductores activos. Su función es la detección de una corriente residual (figura 23). La existencia de una corriente diferencial

residual es indicativa de un defecto de aislamiento entre un conductor activo y una masa o tierra. Esta corriente toma un camino anormal, generalmente la tierra, para volver a la fuente. El DDR va incorporado normalmente a un

aparato de corte (interruptor, interruptor automático, contactor) para realizar automáticamente la desconexión de la tensión del circuito con defecto.

6.2. Principio de funcionamiento y descripción de los DDR Los DDR están todos constituidos al menos por dos elementos:

a. El captador: Ha de ser capaz de suministrar una señal eléctrica útil cuando la suma de las corrientes que circulan por los conductores activos es distinta de cero.

b. El relé de medida: Compara la señal eléctrica suministrada por el captador con un valor de referencia y da, con un posible retardo programado la orden de apertura al aparato de corte asociado.

El dispositivo de mando de apertura del aparato (interruptor o interruptor automático) situado aguas arriba del circuito eléctrico controlado por el DDR se llama disparador o actuador. El conjunto del DDR está representado en el diagrama de la figura 24.

En los circuitos de corriente alterna se utilizan normalmente dos tipos de captadores: el transformador toroidal, que es el captador más utilizado para medir corrientes de fuga y los transformadores de corriente, que se utilizan en AT y en MT y a veces en BT.

6.3. Captadores. El transformador toroidal: Abarca todos los conductores activos y por tanto se excita mediante el campo magnético residual correspondiente a la suma vectorial de las corrientes que recorren las fases y el neutro. Por tanto, la inducción en el toro y la señal eléctrica disponible en bornes del arrollamiento secundario, son una imagen de la corriente diferencial residual. Este tipo de captador permite detectar corrientes diferenciales desde algunos miliamperios hasta algunas decenas de amperios. Los transformadores de corriente: Para medir la corriente diferencial de un circuito eléctrico trifásico sin neutro deben de instalarse tres transformadores de corriente (TC) según la disposición de la figura 25. Los tres TC producen corrientes que quedan

Figura 23: fuga de corriente que provoca una corriente diferencial de defecto id.

Figura 24: Esquema funcional de un DDR electrónico con fuente auxiliar

Figura 25




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conectadas en paralelo y hacen circular entre A y B una corriente que es la suma vectorial de las tres corrientes y por tanto, la corriente diferencial residual. Este montaje llamado de Nicholson se utiliza normalmente en MT y en AT cuando la corriente de defecto a tierra puede alcanzar varias decenas y hasta centenas de amperio. Para su utilización hace falta prestar atención a la clase de precisión del TC: con TC de clase 5% no hay que efectuar un ajuste de la protección de tierra por debajo del 10% de la corriente nominal.

6.3.1. Casos particulares Alimentación (entradas) de gran potencia: El montaje de TC de Nicholson, que es el que se usará en BT cuando los conductores son barras o cables de gran sección para transportar grandes intensidades, no permite aunque se utilicen TC aparejados, ajustes compatibles con la protección de personas (umbral IΔn ≤ UL / Ru). Hay varias soluciones:

a. Si el problema está en el cuadro general aguas abajo del transformador, se puede pensar en: o bien instalar un toro en cabeza de la instalación en la conexión a tierra del neutro BT del transformador (figura 26). En efecto, según las leyes de Kirchhoff, la corriente diferencial vista por (N) es exactamente la misma que la que ve (G) para cualquier defecto que se produzca en la distribución BT. O bien instalar un toro en cada salida, conectados todos en paralelo a un único relé (figura 27). Cuando el relé de medida (normalmente electrónico) no necesita para funcionar más que una señal muy débil, es posible trabajar con toros como generadores de corriente. Puestos en paralelo, producen la imagen de la suma vectorial de las corrientes primarias. Este montaje está previsto en las normas de instalación, pero es complicado. Sin embargo, por razones de selectividad, se prefiere utilizar un DDR para cada salida.

b. Si la dificultad consiste en que no se pueden abarcar todos los cables en paralelo con un solo toro, es posible colocar un toro para cada grupo (abarcando todos los conductores activos) y conectar todos los toros en paralelo (figura 28). Sin embargo, hay que destacar: que cada toro ve n espiras en cortocircuito (3 en la figura), lo que puede reducir su sensibilidad. Si las conexiones tienen diferentes impedancias, cada toro indicará una falsa corriente homopolar. Pero si se efectúa una conexión serie, se puede limitar adecuadamente esta falsa corriente homopolar. Este montaje necesita que cada toro tenga marcados los bornes de salida S1-S2 en función del sentido de la circulación de energía. Esta solución requiere la colaboración de los fabricantes de DDR.

Salidas de gran potencia: Para que la «respuesta» del toro sea fiel y lineal hay que colocar los conductores activos dentro del toro lo más centrados posible, para que su actuación magnética se compense perfectamente cuando no hay corriente residual. En efecto, el campo magnético creado por un conductor disminuye proporcionalmente con la distancia; así en la figura 29 la fase 3 provoca en el punto A una saturación magnética local y no tiene por tanto una actuación proporcional. Sucede lo mismo si el toro queda situado cerca o dentro de un codo del cableado (figura 30). La aparición de una inducción residual parásita, con grandes intensidades, hará aparecer en el secundario del toro una señal que puede provocar un funcionamiento intempestivo. Este riesgo es tanto más importante cuanto menor sea el umbral de funcionamiento del DDR respecto a las corrientes de las fases, especialmente en caso de cortocircuito. En casos difíciles (que sea elevada la razón: I fase máxima / IΔn) hay dos soluciones que permiten resolver el riesgo de disparos intempestivos:

a. Utilizar un toro mucho mayor de lo necesario, por ejemplo de un diámetro que sea el doble del necesario para pasar los cables.

b. Colocar un manguito en el toro. Este manguito debe ser de material magnético para homogeneizar el campo magnético (hierro dulce, chapa magnética) (figura 31).

6.3.2. Utilización de DDR con toro incorporado Hay que indicar que los DDR con toro incorporado aportan una solución integral a los instaladores y usuarios, puesto que el fabricante estudia y solventa adecuadamente los problemas técnicos:

a. Resuelve el problema del centrado de los conductores activos y, para pequeñas

intensidades, puede prever y distribuir adecuadamente varias espiras primarias alrededor

del toro.

b. Puede hacer trabajar al toro con una inducción elevada para maximizar la energía captada

y minimizar la sensibilidad a las inducciones parásitas (grandes corrientes).

Figura 26

Figura 27

Figura 28

Figura 30

Figura 31

Figura 29




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6.4. Relés de medida y actuadores Los DDR se pueden clasificar en tres categorías según su forma de instalación o su tecnología.

6.4.1. Según su forma de instalación a. Autoalimentados en corriente: es el aparato en el que la corriente de defecto suministra la energía necesaria para el

disparo. La mayor parte de especialistas consideran este tipo de alimentación como la más segura. En muchos países, y especialmente en Europa, esta categoría de DDR es la aconsejada para las instalaciones domésticas y similares.

b. Con alimentación auxiliar: es el aparato en el que una fuente de energía independiente de la corriente de defecto suministra la energía necesaria para el disparo. Estos aparatos (normalmente de diseño electrónico) solamente podrán provocar el disparo si la fuente de energía auxiliar está disponible en el momento de la aparición de la corriente de defecto.

c. Autoalimentados en tensión: es un aparato con fuente auxiliar pero que se alimenta del circuito controlado. Así, cuando se alimenta el circuito, el DDR queda alimentado y si no hay tensión, el DDR no está activo, pero evidentemente no hay peligro. Estos aparatos proporcionan un seguro adicional cuando se diseñan para funcionar correctamente con baja tensión, hasta 50 V (tensión de seguridad). Este es el diseño de los bloques Vigi, que son DDR asociados a los interruptores automáticos Compact de la marca Merlin Gerin.

Los DDR también pueden clasificarse adicionalmente según su alimentación en función de que su funcionamiento sea o no de seguridad positiva. Se consideran dos tipos de aparatos de seguridad positiva: a) aquéllos cuyo disparo no depende de la corriente de defecto, todos los aparatos autoalimentados en corriente son aparatos de seguridad positiva, b) aquéllos, muy poco utilizados, cuyo disparo no depende solamente de la corriente de defecto, pero que se sitúan automáticamente en posición de disparo (posición de seguridad) cuando todavía no se cumplen las condiciones para asegurar el disparo en presencia de una corriente de defecto (por ejemplo, bajo tensión de hasta 25 V).

6.4.2. Según su tecnología a. Dispositivos electromagnéticos: Estos dispositivos modernos son «autoalimentados en corriente». Utilizan el principio de

enclavamiento magnético (figura 32). Es suficiente una potencia eléctrica muy pequeña (100 μVA en algunos modelos) para vencer la fuerza de enclavamiento y provocar mediante un amplificador mecánico la apertura de los contactos. Están muy extendidos (seguridad positiva) y se adaptan muy bien para la fabricación de DDR de una única sensibilidad.

b. Dispositivos electrónicos: Se utilizan sobre todo en la industria porque la electrónica permite que la entrada de señal sea de una potencia muy baja, y tener unos umbrales y unas temporizaciones exactas y ajustables (lo que permite conseguir una selectividad óptima al disparo). Debido a estas dos características están especialmente indicados para la fabricación de DDR con toros separados, que van asociados a los interruptores automáticos de gran calibre y a los contactores, y de DDR asociados a interruptores automáticos industriales hasta 630 A. La energía que necesitan para funcionar estos sistemas electrónicos es normalmente muy baja. Los DDR con dispositivos electrónicos se fabrican por tanto con los diferentes tipos de alimentación antes citados, o sea, autoalimentados en tensión o con alimentación auxiliar.

c. Dispositivos mixtos (autoalimentados en corriente): Esta solución consiste en intercalar entre el toro y el relé de accionamiento magnético un dispositivo de tratamiento de la señal. Esto permite, a)conseguir un umbral de funcionamiento preciso y fiel, b) obtener una gran inmunidad a los parásitos y transitorios de corriente con frente abrupto y ésto respetando tiempos de funcionamiento compatibles con las curvas de seguridad. A título de ejemplo, los DDR del tipo SI de la marca Merlin Gerin son dispositivos mixtos, c) fabricar DDR temporizados. Un principio similar se utiliza en MT. En efecto, durante muchos años en los centros de transformación de distribución de energía eléctrica (centros MT/BT) los relés de disparo necesitaba una batería de acumuladores, lo que producía muchos problemas. La asociación de un dispositivo electrónico autoalimentado en corriente y un disparador electromecánico de disparo magnético ofrece una solución satisfactoria, fiable y a un coste razonable que permite la supresión de la batería de acumuladores.

6.4.3. Imperativos de utilización La IEC 60 364, § 531-2-2-2 indica para los dispositivos con fuente auxiliar que no son de seguridad positiva: su utilización está permitida si están colocados en las instalaciones explotadas por personas advertidas o cualificadas.

Figura 32




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6.5. Normas de fabricación Para los DDR, IEC tiene normalizados tipos, valores de umbral o sensibilidad y curvas de funcionamiento. La corriente que transportan las redes eléctricas no es exactamente senoidal, por eso la Norma IEC 60 755 ha definido tres tipos de DDR, los tipos AC, A y B, según la corriente diferencial a detectar (figura 33):

a. El tipo AC para corrientes alternas senoidales b. El tipo A para corrientes alternas senoidales, continuas pulsantes

o continuas pulsatorias con una componente continua de 0,006 A, con o sin control de ángulo de fase, tanto si se aplican bruscamente como si aumentan lentamente,

c. El tipo B para las mismas corrientes que el tipo A, pero más puras porque provienen de rectificadores de media onda que con una carga capacitativa produce una corriente continua alisada, o trifásicos de media onda o doble onda.

6.5.1. Sensibilidades (IΔn) Están normalizadas por IEC:

a. Alta sensibilidad (AS): 6 - 10 y 30 mA. b. Media sensibilidad (MS): 100 - 300 y 500 mA. c. Baja sensibilidad (BS): 1 - 3 - 5 - 10 y 20 A.

La AS se utiliza sobre todo para la protección contra contactos directos, en cambio, las otras sensibilidades (MS y BS) se utilizan para todas las otras necesidades de protección, contra contactos indirectos (esquema TT) contra los riesgos de incendio y la destrucción de máquinas.

6.5.2. Curvas de disparo Tienen en cuenta los estudios mundiales realizados sobre el riesgo eléctrico (IEC 60479) y muy especialmente en los efectos de la corriente eléctrica para la protección contra los contactos directos y en la tensión límite de seguridad en el caso de protección contra contactos indirectos. Para aplicaciones domésticas y similares, las normas IEC 61008 (interruptores diferenciales) y 61 009 (interruptores automáticos diferenciales) definen valores normalizados de tiempo de funcionamiento (tabla de la figura 34 que corresponde a las curvas de funcionamiento G y S de figura 35). La curva G aplica para los DDR instantáneos, la curva S para los DDR selectivos con valor de temporización muy corto. Las curvas para los interruptores automáticos diferenciales de potencia vienen indicadas en el anexo B de la norma IEC 60947-2. Todas estas normas definen los tiempos máximos de funcionamiento en función de la razón Id/If para los DDR con tiempo de respuesta dependiente (normalmente electromagnéticos). Los DDR electrónicos utilizados sobre todo en la industria y las grandes instalaciones de servicios, tienen generalmente un umbral y una temporización regulables y su tiempo de respuesta es independiente de la corriente de defecto. La norma IEC 60364 fija los tiempos máximos de corte de los circuitos finales para los esquemas TN e IT (figura 36). Para el esquema TT, el tiempo de funcionamiento de los DDR se escoge en función de la tensión de defecto; en la práctica los DDR de tipo G y S son válidos para los circuitos terminales con tensiones de red ≤ 230/440 V. La norma concreta también que se admite un tiempo de 1 segundo con el esquema

Figura 33

Figura 19

Figura 35

Figura 36

Figura 34




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TT para los circuitos de distribución para poder fijar los niveles de selectividad necesarios para la continuidad del suministro. Además de las características citadas para el funcionamiento de los diferenciales, las normas de productos fijan, a) la resistencia a los choques mecánicos y a las sacudidas, b) la temperatura ambiente y la humedad, c) n la endurancia mecánica y eléctrica, d) la tensión de aislamiento, y la resistencia a la onda de choque, e) los límites de CEM. Prevén también las normas de ensayos de tipo, y verificaciones periódicas de calidad y de prestaciones que han de efectuar los fabricantes o por organismos oficiales. De esta manera garantizan al usuario la calidad de los productos y la seguridad de las personas.

6.6. Distintos tipos de aparatos Según las normas, existen DDR tecnológicamente diferentes adaptados a los dos campos de aplicación principales: el doméstico y el industrial. La aparamenta se escoge, en función del ECT de la red y del tipo de protección necesaria (contra contacto directo, contra contacto indirecto, protección de receptores, ...). Pero todavía es necesario definir su tipo (A, AC o B) a partir de las características de la red (alterna, mixta...) y analizar los requerimientos de la explotación (necesidad de selectividad, necesidad de seguridad positiva...), para fijar por último el valor del umbral necesario (sensibilidad) y los ajustes de tiempo (retardo). La tabla de la figura 37 presenta una síntesis de los diferentes equipos.

6.7. Corrientes de fuga En la implementación del uso de DDR es de suma importancia prestar atención a las corrientes, normalmente capacitivas, que engañan a los DDR y que pueden provocar grandes desajustes en la explotación.

6.7.1. Corrientes de fuga de 50 Hz - 60 Hz Al hacer el estudio de una instalación es importante valorar las longitudes de las diversas derivaciones y si los equipos que hay que instalar tienen elementos capacitativos conectados a tierra. Después habrá que pensar en repartir estas cargas para reducir la importancia de este fenómeno. Los filtros antiparasitarios que se instalan en los microordenadores y otros aparatos electrónicos producen en monofásica corrientes permanentes de fuga, a 50 Hz, del orden de 0,5 a 1,5 mA por aparato. Estas corrientes de fuga se suman si los aparatos están derivados de la misma fase. En cambio, si los aparatos están distribuidos entre las tres fases, estas corrientes se anulan mutuamente cuando están equilibradas (suma vectorial). Esta reflexión tiene todavía más importancia si los DDR instalados son de alta sensibilidad. Para evitar disparos intempestivos la corriente permanente de fuga no debe ser mayor de 0,3.IΔn con el esquema TT o TN, y de 0,17.IΔn con el esquema IT.

6.7.2. Corrientes de fuga transitorias Estas corrientes se manifiestan al conectar un circuito que tenga un desequilibrio capacitativo (figura 38) o cuando hay sobretensiones de modo común. Los DDR de tipo S (IΔn 300 mA) y de tipo SI (IΔn = 300 mA), además de los DDR ligeramente temporizados, evitan los funcionamientos intempestivos.

Figura 38

Figura 37




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6.7.3. Corrientes de fuga de alta frecuencia Los grandes productores de perturbaciones, en términos de CEM, son, por ejemplo, los rectificadores a tiristores cuyos filtros tienen condensadores que producen una corriente de fuga de AF que pueden alcanzar el 5% de la corriente nominal. Inversamente a lo que sucede con las corrientes de fuga a 50 - 60 Hz, cuya suma vectorial es nula, estas corrientes de AF no son síncronas con las tres fases y su suma produce una corriente de fuga. Para evitar disparos intempestivos, los DDR deberían ser insensibles a estas corrientes de AF (equiparse con filtros paso bajo), como son los DDR industriales y los DDR de tipo S y de tipo SI de Merlin Gerin tienen esta cualidad.

6.7.4. Corrientes debidas al rayo Si la instalación tiene pararrayos, hay que evitar instalar el captador del DDR en el camino de la derivación de la corriente producida por el rayo; de lo contrario hay que instalar DDR inmunizados contra estas corrientes (retardados o de tipo S).

6.8. Las protecciones contra los defectos de aislamiento El uso de los DDR depende de normas y especialmente de la IEC 60364. Esta Norma establece los tres esquemas principales de conexión de la red eléctrica a tierra (ECT), además especifica con toda precisión para cada uno de los ECT la forma de utilización de los DDR. Prevé también las precauciones básicas que en condiciones normales de utilización reducen considerablemente los riesgos eléctricos. Pueden establecerse entonces reglas generales normativas sea el que sea el ECT utilizado en una instalación:

a. Cada masa de utilización debe de estar conectada a una toma de tierra mediante un conductor de protección, b. Las masas de utilización simultáneamente accesibles deben de estar conectadas a una misma toma de tierra. c. Un dispositivo de corte debe desconectar automáticamente toda la parte de una instalación donde aparezca una tensión

de contacto peligrosa. d. Los tiempos de corte de este dispositivo deben de ser menores que el tiempo máximo definido (figura 39).

6.8.1. El riesgo del contacto directo Sea el que sea el ECT, este riesgo es el mismo para las personas. Por tanto, las protecciones previstas por las normas son las mismas y utilizan las posibilidades de los DDR de alta sensibilidad. Una persona en contacto con un conductor bajo tensión sufre el paso de una corriente de defecto y por tanto queda expuesta a los riesgos fisiopatológicos anteriormente descritos. Un DDR situado aguas arriba del punto de contacto puede medir la corriente que atraviesa a la persona e interrumpir la corriente peligrosa. La normativa reconoce como medida de protección complementaria el empleo de DDR de alta o muy alta sensibilidad (≤ 30 mA) cuando existe el riesgo de contacto directo debido al entorno, a la instalación o a la actuación de las personas (artículo 412.5.1 de IEC 60364). Este riesgo existe también cuando el conductor de protección puede estar cortado o no existir (maquinaria portátil). En este caso el empleo de DDR de alta sensibilidad es obligatorio. Así, las normas indican que hay que proteger con DDR de sensibilidad mejor o igual de 30 mA los circuitos que se alimentan con tomas de corriente cuando están situadas en locales mojados o instalaciones temporales de calibres ≤ 32 A. La norma IEC 60 479 indica que la resistencia del cuerpo humano es superior o igual a 1000 Ω para el 95% de las personas expuestas a una tensión de contacto de 230 V, cuando sufren el paso de una corriente de 0,23 A. Un DDR con un umbral de 30 mA no limita la corriente, pero su funcionamiento instantáneo asegura que ésta no rebasará 0,5 A). Por tanto, la utilización de DDR de 5 ó 10 mA de sensibilidad no mejora la seguridad, sino que por el contrario, aumenta el riesgo de disparos intempestivos no despreciables debido a la existencia de fugas capacitativas (capacidades distribuidas en cables y filtros).

Figura 39




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6.8.2. Protección contra incendios Independientemente del ECT utilizado, las instalaciones eléctricas de locales con riesgo de incendio o explosión deben de tener DDR de sensibilidad IΔn ≤ 500 mA, porque está demostrado que, el contacto puntual entre dos piezas metálicas, puede producir incandescencia en dicho punto con una corriente de tan sólo 500 mA. Los DDR son dispositivos eficaces para la protección contra el riesgo de incendios debidos a defectos de aislamiento. La corriente de defecto en estos casos es baja para que la detecten otras protecciones. Para los esquemas TT, IT y TN-S la utilización de ID de sensibilidad de 300 mA ofrece una buena protección. El análisis del fenómeno indica que el riesgo de incendio debido a la electricidad está relacionado con el sobrecalentamiento por a una mala coordinación entre la corriente nominal máxima del cable y el ajuste de la protección contra la sobreintensidad, por la incorporación de cables a un mismo soporte y/o el envejecimiento de los mismos. Algunas pruebas han demostrado que una corriente de defecto de 300 mA puede inducir un verdadero riesgo de incendio (Figura 40).

6.9. Protección con DDR según los ECT

6.9.1. Esquema TT a. La protección de personas contra los contactos indirectos: En este esquema la protección se basa en la utilización de DDR.

La corriente de defecto depende de la resistencia de defecto de aislamiento (Rd) y de las resistencias de la toma de tierra. Una persona en contacto con la envolvente metálica de un receptor con defecto de aislamiento puede quedar sometida a la tensión desarrollada en la toma de tierra del receptor (RA). Ejemplo: Con U= 230 V, RA= RB = 10 Ω y Rd= 0, si la persona no está en una zona equipotencial, queda sometida a Uc = Ud = 115 V. La protección debe de quedar necesariamente asegurada por la instalación de DDR de media o baja sensibilidad que deberán provocar la desconexión del equipo con defecto desde el momento en que la tensión Ud sea superior a la tensión límite de seguridad UL.

b. La protección de máquinas y bienes: Los valores de los umbrales de disparo de los DDR necesarios para la protección de personas en el esquema TT están muy por debajo de las corrientes de defecto que pueden deteriorar los circuitos magnéticos de las máquinas (motor) o provocar un incendio. Por tanto, los DDR evitan esta destrucción de origen eléctrico.

6.9.2. Esquema TN Con este ECT, la corriente de un defecto franco de aislamiento se convierte en un cortocircuito. En TN-C teniendo en cuenta que el neutro y el conductor de protección son el mismo conductor, los DDR no se pueden utilizar. El estudio que sigue se refiere por tanto especialmente al TN-S.

a. La protección de personas contra contactos indirectos: La corriente de defecto depende de la impedancia del bucle de defecto, por tanto, la protección queda normalmente asegurada mediante las protecciones contra sobreintensidades (cálculo / medida de las impedancias de bucle). Si la impedancia es demasiado elevada y no permite que la corriente de defecto actúe en las protecciones de sobreintensidad (cables de gran longitud) una solución válida es la utilización de DDR de baja sensibilidad (IΔn 1 A). Por otra parte, este esquema no se puede aplicar cuando por ejemplo la alimentación proviene de un transformador cuya impedancia homopolar sea demasiado elevada (acoplamiento estrella-estrella).

b. La protección de aparatos eléctricos y de circuitos: En el esquema de puesta a neutro, los defectos de aislamiento originan grandes corrientes de defecto equivalentes a las de cortocircuito. El paso de tales corrientes tiene evidentemente consecuencias perjudiciales importantes, por ejemplo: perforación de las chapas del circuito magnético de un motor, lo que obliga a cambiarlo entero en vez de reparar sus bobinados. Estos peligros pueden reducirse mucho utilizando DDR de baja sensibilidad (3 A, por ejemplo) y con funcionamiento instantáneo, y por tanto, capaces de reaccionar antes de que la corriente alcance un valor importante. Nótese que esta protección es tanto más importante cuanto mayor sea la tensión de servicio, porque la energía disipada en el punto del defecto es proporcional al cuadrado de la tensión. La consecuencia económica de estas posibles averías hay que valorarla, porque es un criterio que no se puede pasar por alto en la elección del ECT.

c. Detección del defecto de aislamiento entre el neutro y el conductor de protección (CP) o las masas del edificio: Este tipo de defecto transforma sin que se note y peligrosamente el esquema TN-S en TN-C. Una parte de la corriente de neutro (incrementada por la suma de corrientes armónicas de 3er rango y sus múltiplos) circula continuamente por el CP y por las estructuras metálicas de los edificios con dos consecuencias: la equipotencialidad del CP no queda asegurada (piénsese que unos pocos voltios pueden perjudicar el funcionamiento de los sistemas digitales conectados a redes o buses y que deben de tener la misma referencia de potencial) y la circulación de corriente por las estructuras, aumenta el riesgo de incendio. Los DDR permiten evidenciar este tipo de defecto.

Figura 40




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d. Detección de defecto de aislamiento sin disparo y protección de bienes: Aunque en el esquema IT la norma obliga a supervisar el aislamiento, en el esquema TN-S no es obligatorio. Pero cualquier disparo debido a un defecto de aislamiento produce un paro en la explotación y obliga a hacer muy frecuentemente costosas reparaciones antes de poder volver a conectar. Por ello, cada vez más los usuarios piden dispositivos de prevención para poder intervenir antes de que un defecto de aislamiento se convierta en un cortocircuito. En TN-S, una respuesta a esta necesidad es la señalización mediante el empleo de DDR con márgenes de sensibilidad comprendidos entre 0,5 y algunos amperios que pueden detectar pequeñas pérdidas de aislamiento (tanto sobre las fases como sobre el neutro) y dar la alarma correspondiente a los usuarios. Además, utilizando DDR con disparo para IΔn ≤ 500 mA disminuye el riesgo de incendio de origen eléctrico y se evita la destrucción de los materiales.

6.9.3. Esquema IT a. La protección de personas contra los contactos indirectos: Ante un primer defecto de aislamiento, la corriente de defecto

es muy baja y la tensión de defecto no es peligrosa. Las normas obligan a señalizar este defecto y a buscarlo; ésta es precisamente la función que cumplen los aparatos de búsqueda de defectos con tensión. Al producirse un segundo defecto la instalación está en situación similar a un defecto en esquema TN, pero hay que distinguir dos casos: una sola toma de tierra para todas las masas o varias tomas de tierra, y el caso con una sola toma de tierra. La protección queda asegurada normalmente por la protección contra sobreintensidades (cálculo/medida de las impedancias de bucle). En el caso de varias tomas de tierra cuando se produce el segundo defecto que afecta a equipos no conectados a la misma toma de tierra, la corriente de defecto puede no alcanzar el umbral de disparo de los relés de sobreintensidad. Las normas obligan a utilizar un DDR para cada grupo de masas interconectadas a una misma toma de tierra. En todos los casos, con una o varias tomas de tierra, si la impedancia de un bucle de defecto es demasiado elevada (cables de gran longitud) una solución simple y práctica es la utilización de DDR de baja sensibilidad (1 a 30 A).

b. Protección de bienes, aparatos eléctricos y circuitos: Aunque al producirse el primer defecto no hay riesgo especial para los materiales, un segundo defecto origina normalmente grandes corrientes de defecto equivalentes a las de cortocircuito, como en el esquema TN. Los DDR de media o baja sensibilidad pueden preverse para los casos más críticos (locales con riesgo de incendio o explosión, máquinas sensibles y caras), buscando que el riesgo del segundo defecto quede especialmente reducido, sobre todo cuando la búsqueda del primer defecto puede hacerse de forma sistemática. En efecto, con la hipótesis de que se produzca un defecto cada 3 meses y que repare en el mismo día, el tiempo medio entre dos defectos dobles es de alrededor de 22 años.




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7. INFLUENCIA DE MEDIA TENSIÓN (MT) EN BAJA TENSIÓN (BT) Salvo que se use una alimentación de emergencia sin corte (con aislación galvánica) o un transformador BT/BT, las redes BT están influenciadas por la MT. Esta influencia se produce:

a. por acoplamiento capacitivo, transmisión de sobretensiones desde los arrollamientos de MT a los de BT. b. por acoplamiento galvánico, en caso de cebado entre los arrollamientos de MT y de BT. c. por impedancia común, si las diversas tomas de tierra están conectadas y con una corriente procedente de la MT

que se fuga a tierra. Todo esto se traduce en perturbaciones en BT, frecuentemente sobretensiones, cuando los fenómenos generadores del incidente en MT son:

a. el rayo. b. las sobretensiones de maniobra. c. el cebado interno MT-masa interior en el transformador. d. el cebado interno MT-BT en el interior del transformador.

Su consecuencia más frecuente es la destrucción de los aislantes de BT, con los riesgos consiguientes de electrocución para las personas y destrucción para el material.

7.1. DESCARGA ATMOSFÉRICA SOBRE ALIMENTADOR EN MT Si la red de alimentación en MT es aérea, para limitar las consecuencias de una descarga del rayo, directa o indirecta, en la entrada de esta alimentación se instalan limitadores de tensión que derivan la corriente de la descarga a tierra. De cualquier manera esta limitación no elimina totalmente la descarga aguas abajo del limitador ya que se transmite una onda, por efecto capacitivo entre los bobinados del transformador a los conductores activos de BT que puede alcanzar los 10 kV de pico. Aunque es atenuada progresivamente por las capacidades parásitas de la red respecto a tierra, es prudente colocar también limitadores de sobretensión (pararrayos) en el origen de la red de BT, sea el que sea su ECT (Figura 41). Igualmente, para evitar un acoplamiento por impedancia común, es prudente no conectar nunca a la toma de tierra del neutro de BT ni los limitadores de sobretensión de MT, ni los pararrayos situados en los tejados de los edificios. Si esto ocurriera la corriente de rayo provocaría una elevación del potencial del PE y/o del neutro de BT (riesgo de cebado por el retorno) y la pérdida de eficacia de la toma de tierra por vitrificación.

7.2. SOBRETENSIONES DE MANIOBRA Durante las maniobras en aparatos de MT se producen importantes sobretensiones. Estas perturbaciones son, en BT, perturbaciones de modo diferencial (entre conductores activos) que se transmiten a la red de BT por acoplamiento capacitivo y magnético. Como todo fenómeno de modo diferencial, las sobretensiones de maniobra no interfieren, o muy poco, con los ECT, sean los que sean.

Figura 41: Limitación y transmisión de una sobretensión de rayo (hay sobretensiones en modo común entre fases, esté o no el neutro a tierra).




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7.3. DESCARGAS INTERNAS EN UN TRANSFORMADOR

7.3.1. Cebado MT a masa interna en un transformador Cuando la masa del transformador y el neutro de la instalación BT están conectados a una misma toma de tierra, la aparición de una corriente homopolar en MT (cuya intensidad es función del ECT en MT) puede llevar la masa del transformador y el neutro de la instalación BT a un potencial peligroso. El valor de la toma de tierra del transformador condiciona directamente la tensión de contacto en el centro de transformación. La figura 42 da los valores de la toma de tierra común (norma IEC 60384-4-442).

Figura 42: Resistencia máxima de la toma de tierra de las masas del centro de transformación en función del esquema de conexión a tierra de la red




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7.3.2. Cebado MT-BT en el interior de un transformador Este defecto tiene como consecuencias:

a. En TN: Toda la red de BT, incluido el PE queda sometida a la tensión. Si esta tensión sobrepasa la rigidez dieléctrica de la red BT, (en la práctica del orden de 1 500 V) se pueden producir descargas en BT si la equipotencialidad de todas las masas, tanto las eléctricas como las restantes, no es total.

b. En TT: Cuando las masas de los receptores están al potencial de la tierra profunda, toda la red de BT queda sometida a una tensión con riesgo de descargas por corriente de retorno en los receptores.

c. En IT: Cuando se alcanza su tensión de cebado, los limitadores de sobretensión se ponen en cortocircuito, convirtiéndose entonces la red IT en una TN (o TT si hay varias tomas de tierra de utilización).

En todos los casos, las descargas MT/BT ocasionan contratiempos que pueden ser graves para la instalación y para los receptores de BT, si el valor de la toma de tierra del neutro BT no está controlado. (IEC 60364 que explicita los riesgos en función del ECT).

7.4. FERRORESONANCIA El término ferrorresonancia designa a todos los fenómenos oscilatorios que aparecen en un circuito eléctrico que comprende al menos:

a. una inductancia no lineal (ferromagnética saturable). b. un condensador. c. una fuente de tensión (generalmente sinusoidal). d. pérdidas débiles.

Las redes eléctricas, sea cual sea su tensión, comportan numerosas inductancias saturables (transformadores de potencia, transformadores inductivos de medida de tensión (TT), reactancias shunt), así como condensadores (cables, líneas largas, condensadores de compensación serie o shunt, centros de transformación, etc.). Por lo tanto las redes son susceptibles de presentar configuraciones propicias a la existencia de la ferrorresonancia que aparece a continuación de transitorios, sobretensiones de origen atmosférico, conexión o desconexión de transformadores o de cargas, etc. Existe la posibilidad de transición brusca de un estado estable normal (sinusoidal a la misma frecuencia que la red) a otro estado estable ferrorresonante caracterizado por fuertes sobretensiones y por importantes tasas de armónicos peligrosas para los equipos. Un ejemplo práctico de este comportamiento es la desconexión de un transformador de tensión al abrirse un interruptor automático. El transformador queda alimentado por la capacidad de las cámaras de corte del interruptor automático: la maniobra puede llevar o a una tensión nula en bornes del transformador, o a una tensión permanente muy distorsionada y de una amplitud muy superior a la de la tensión normal. Los ejemplos prácticos de configuraciones de redes de energía eléctrica con riesgo de ferrorresonancia permiten identificar y evidenciar la variedad de configuraciones potencialmente peligrosas. Las herramientas de análisis permiten prever las posibilidades de ferrorresonancia en una red mediante la obtención de sus parámetros en condiciones de explotación normal o degradada. La ferrorresonancia se manifiesta por alguno o varios de los siguientes síntomas:

a. sobretensiones permanentes elevadas de modo diferencial (entre fases) o de modo común (entre fases y tierra). b. sobreintensidades permanentes elevadas. c. grandes distorsiones permanentes de las formas de onda de tensión y corriente. d. desplazamiento de la tensión del punto neutro. e. calentamiento de los transformadores (en funcionamiento sin carga). f. n ruido permanente y excesivamente fuerte dentro de los transformadores y reactancias. g. destrucción de materiales eléctricos (condensadores, TT, TCT, etc.) por efectos térmicos o por roturas dieléctricas.

Un síntoma característico de la destrucción de los TT por ferrorresonancia es que el enrollamiento primario está destruido y el secundario intacto.

h. disparo de protecciones que puede parecer intempestivo.




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8. ELECTRICIDAD ESTÁTICA Cuando dos cuerpos de materiales diferentes están en contacto los electrones migran de un cuerpo a otro a través de la superficie de contacto. Si los dos cuerpos son súbitamente separados, los electrones tratan de volver a su sustancia original. En caso de que las sustancias sean eléctricamente conductoras, los electrones son capaces de hacerlo, pero si una de las sustancias o ambos materiales son aislantes esto no ocurre. Los electrones quedan atrapados en la superficie del material a a la que han migrado. Las superficies de ambas sustancias ahora presentan carga eléctrica debido a un exceso o deficiencia de electrones. La tensión de un cuerpo cargado se puede calcular usando la fórmula:

Donde V es la tensión en voltios, Q es la carga en culombios y C es la capacitancia del cuerpo en Faradios con referencia a la superficie de medición. La fugas de carga acumulada es gradual desde el cuerpo cargado pero si la tasa de generación de carga es mayor que la tasa de fuga, la tensión del cuerpo cargado aumenta. Esto provoca una chispa a través del medio.

8.1. GENERACIÓN DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS a. Tipo de materiales: la acumulación de electricidad estática necesita dos materiales diferentes en contacto uno con

otro. Por lo menos uno de los materiales debe ser un aislante. b. Gran superficie de contacto: el área de contacto entre dos materiales diferentes debe ser tan alta como sea

posible para facilitar la migración de electrones entre los materiales. c. La velocidad de separación: cuanto mayor sea la velocidad de separación, menor es la oportunidad para que

los electrones retornen al material matriz y por lo tanto mayor es la acumulación de carga. d. Movimiento entre las sustancias: Aunque esto no es una condición necesaria, la acumulación de carga se ve

facilitada por el movimiento entre las superficies de dos maneras: la fricción y el calor producido como resultado de esta fricción al aumentar el nivel de energía de los átomos que facilita el escape de electrones y en segundo lugar, el movimiento provoca un mejor contacto entre las superficies otro aumentando la migración.

e. Condición atmosférica: la humedad aumenta la fuga de carga a través del aire que rodea el cuerpo cargado y reduce la acumulación. A la inversa de la atmósfera seca que mejora la capacidad de retener carga.

8.1.1. Ejemplos de acumulación de carga eléctrica a. La correa plana (material no conductor) sobre un par de poleas metálicas que gira a alta velocidad es uno de los

ejemplos más comunes de acumulación de carga. En el caso de cintas trasportadoras, las correas de caucho no

producen electricidad estática alta debido a las bajas velocidades lineales en la que trabajan, en este caso, la

velocidad de separación no es lo suficientemente alta como para causar la acumulación de carga apreciable.

b. Las ruedas de goma de las sillas que se mueven sobre pisos no conductores producen cargas estáticas.

Tabla 1: Tensión estática generada

Proceso Tensión

estática (kV)

Correas sobre poleas a alta velocidad

60 - 100

Manejo de textiles 15 - 50

Maquinarias de papel 5 - 100

Camiones cisterna < 25

Trasportadores de cinta en manipulación de granos

< 45




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c. El movimiento de líquido cayendo en un tanque durante las operaciones

de llenado puede producir carga estática.

d. Los trabajadores pueden tener acumulación de carga en sus cuerpos por

la fricción de los zapatos de goma o por tejidos productores de

carga utilizados en su vestimenta.

IEEE 142 (Green Book) da los valores de acumulación de cargas y los voltajes de ruptura (Ver tablas 1 y 2). En ellas se puede ver que la tensión estática producida es suficiente para causar una chispa a través de huecos de hasta 90 mm y que los elementos en punta producen descargas a menor tensión que los elementos planos. Entre los riesgos de la acumulación de carga eléctrica pueden incluirse:

a. Provocar incendios y explosiones.

b. Daño a los componentes electrónicos sensibles.

c. Descarga eléctrica a sobre los seres humanos seguidas por los

accidentes como una caída

d. Daños en los componentes mecánicos, tales como los rodamientos debido

a chispas a través de las películas de aceite sobre superficies de apoyo.

8.1.2. Energía de la chispa y su capacidad de ignición La energía de descarga de chispa se puede calcular usando la fórmula: Donde C es la capacitancia del cuerpo que almacena la carga en pF (picofaradios), V es la tensión en voltios y E es la energía en mili julios. Valores de algunas capacitancias:

a. Cuerpo humano 100-400 pF

b. Tanque de camión cisterna 1000 pF

c. Depósito con revestimiento de goma 100 000 pF

Los niveles de energía requeridos para provocar la ignición dependerán de la inflamabilidad de los materiales presentes en el medio ambiente y si forman una mezcla explosiva.

8.2. DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS Y RIESGO DE INCENDIO El peligro de incendio asociado a las descargas electrostáticas se calcula tomando como referencia el límite inferior de inflamabilidad de los gases, vapores y sólidos o de los aerosoles líquidos. El límite puede variar en términos considerables, como se ilustra en la Tabla de límites inferiores de inflamabilidad. Una mezcla de aire y de un gas o vapor inflamable sólo explosiona si la concentración de la sustancia inflamable está situada entre sus límites explosivos superior e inferior. Dentro de este intervalo, la energía mínima de ignición (EMI), o energía que ha de poseer una descarga electrostática para incendiar la mezcla, depende íntimamente de la concentración. Se ha demostrado de modo concluyente que la energía mínima de ignición depende de la velocidad de liberación de energía y, por extensión, de la duración de la descarga. El radio del electrodo es otro factor condicionante: Los electrodos de pequeño diámetro (del orden de varios milímetros) dan lugar a descargas en corona en vez de producir chispas. Con electrodos de diámetros mayores (del orden de varios centímetros), la masa del electrodo se basta para enfriar las chispas. En general, las EMI más bajas se obtienen con electrodos que tienen el tamaño justo para impedir descargas en corona. La EMI depende también de la distancia entre los electrodos, y es mínima a la distancia de amortiguación, distancia a la cual la energía producida en la zona de reacción se hace superior a las pérdidas térmicas en los electrodos. Se ha demostrado experimentalmente que cada sustancia inflamable tiene una distancia de seguridad máxima, correspondiente a la distancia entre electrodos mínima a la cual ocurre una explosión. En los hidrocarburos, esta distancia es menor que 1 mm. La probabilidad de explosiones de polvo depende de su concentración. La probabilidad máxima va asociada a concentraciones del orden de 200 a 500 g/m3. La EMI también depende del tamaño de las partículas, y las más finas son las que explosionan con más facilidad. Tanto en gases como en aerosoles, la EMI disminuye con la temperatura. Para que una carga electrostática pueda ser una fuente de ignición, deben darse al menos las siguientes condiciones:

a. un medio donde se genere una carga electrostática.

b. un medio donde se acumule una carga electrostática capaz de producir una chispa incendiaria.

c. descarga en forma de chispa inflamable (es decir, una separación de encendido).

d. un medio inflamable mezcla de aire y vapor.

Tabla 2: Tensión de descarga

Distancia (mm)

Desde un punto (kV)

Desde un plano (kV)

5 6 11

10 16 18

15 20 29

20 25 39

30 36 57

40 42 71

50 50 86

60 54 96

70 60 112

80 63 124

90 67 140

LIMITES INFERIORES DE INFLAMABILIDAD

Descarga Límites Algunos polvos Varios julios

Aerosoles muy finos de Azufre y Aluminio

Varios mili julios

Vapores de Hidrocarburos y otros líquidos orgánicos

200 micro julios

Hidrógeno y Acetileno 20 micro julios

Explosivos 1 micro julio




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8.2.1. Electricidad estática en la industria Muchos procesos utilizados a diario para manipular y transportar sustancias químicas generan cargas electrostáticas, tales como: el vertido de polvos desde sacos; el transporte por tuberías; la agitación de líquidos, sobre todo en presencia de varias fases, sólidos suspendidos o gotitas de líquidos no miscibles; el rociado o niebla de líquidos. Las consecuencias de la generación de cargas electrostáticas comprenden problemas mecánicos, peligro de descarga electrostática en los operadores y, si se utilizan productos que contengan disolventes o vapores inflamables, incluso explosión. Los hidrocarburos líquidos, como el petróleo, el queroseno y muchos disolventes corrientes, tienen dos características que les confieren una sensibilidad especial a los problemas de electricidad estática:

a. resistividad alta, que les permite acumular elevados niveles de cargas.

b. vapores inflamables, que aumentan el riesgo de descargas de baja energía que disparan incendios y explosiones.

Pueden generarse cargas durante el transporte del líquido (p. ej., en la circulación por tuberías, bombas o válvulas). El paso por filtros finos, como los utilizados durante el llenado de los depósitos de aviones, genera densidades de carga de varios centenares de micro culombios por metro cúbico. La sedimentación de partículas y la generación de nieblas o espumas cargadas durante el llenado de depósitos también originan cargas. La presencia de filtros o salpicaduras durante el llenado de un tanque (que pueden generar espumas o nieblas) son factores de riesgo identificados.

8.3. SUPRESIÓN O REDUCCIÓN DE LA GENERACIÓN DE CARGA ESTÁTICA En la práctica, puede haber generación de carga incluso por contacto y separación de un material consigo mismo. En realidad, la generación de carga afecta a las capas superficiales de los materiales. Como la más ligera diferencia de humedad superficial o contaminación superficial da lugar a la generación de cargas estáticas, es imposible impedir por completo la generación de cargas. Para reducir la cantidad de cargas generadas por superficies que entran en contacto, es preciso:

a. Evitar que los materiales entren en contacto mutuo si tienen afinidades electrónicas muy diferentes; es decir, si

están muy separados en la serie triboeléctrica (efecto triboeléctrico: fenómeno de electrificación por frotamiento).

Por ejemplo, evitar el contacto entre vidrio y Teflón o entre PVC y poliamida (nailon).

b. Reducir la tasa de flujo entre materiales, con lo cual disminuye la velocidad de deslizamiento entre materiales

sólidos. Por ejemplo, puede reducirse el ritmo de extrusión de películas plásticas, del movimiento de materiales

colocados en una cinta transportadora o el caudal de líquidos en una tubería.

No se han establecido límites definitivos de seguridad para medidas de caudal. La Norma Británica BS-5958-Parte 2 (Code of Practice for Control of Undesirable Static Electricity) recomienda que el producto de la velocidad (en metros por segundo) y el diámetro de la tubería (en metros) sea inferior a 0,38 para líquidos con conductividades menores que 5 pS/m (en pico siemens por metro) y menor que 0,5 para líquidos con conductividades superiores a 5 pS/m. Tal criterio sólo es válido para líquidos de un a sola fase transportados a velocidades no superiores a 7 m/s. Al reducir la velocidad de deslizamiento o de flujo en cañerías no sólo se disminuye la generación de cargas, sino que también se ayuda a disipar cargas que pudieran haberse generado. Desde el punto de vista de seguridad electrostática, el ideal sería que todos los elementos metálicos (cercos, cañerías, componentes electrónicos, chasis de los vehículos que transportan hidrocarburos, etc.) fuera conductores y estuvieran puestos a tierra. De esta forma todo tendría el mismo potencial, y por lo tanto el campo eléctrico (y el riesgo de descarga) sería cero. Pero casi nunca es posible alcanzar esta situación ideal, por los motivos siguientes:

a. No todos los productos que es necesario manipular son conductores, y muchos de ellos no pueden hacerse

conductores mediante el uso de aditivos. Así sucede con numerosos productos agrícolas y farmacéuticos, así como

con líquidos de gran pureza.

b. Hay propiedades convenientes para el producto final, como por ejemplo la transparencia óptica o la baja

conductividad térmica, que pueden excluir el empleo de materiales conductores.

c. Es imposible disponer una puesta a tierra permanente en equipos móviles como carruajes metálicos, herramientas

electrónicas sin cordón, vehículos e incluso operadores humanos.

En atmósferas explosivas, es el propio ambiente el que resulta ser sensible a las descargas electrostáticas. En estos casos, la protección consiste en sustituir el aire, bien por una mezcla gaseosa cuyo contenido de oxígeno sea inferior a la concentración mínima para que la mezcla se inflame, bien por un gas inerte, como el nitrógeno. Los trabajadores que tienen motivos para creer que se encuentran cargados eléctricamente (por ejemplo, cuando desmontan un vehículo en tiempo seco o andan con determinados tipos de calzado), pueden adoptar numerosas medidas protectoras, como las siguientes:

a. Reducir la densidad de corriente en la piel, para lo cual basta con tocar un conductor puesto a tierra con un

elemento metálico, como una llave o herramienta.

b. Reducir el valor de cresta de la corriente mediante la descarga en un objeto disipador que se pueda tener a mano

(un dispositivo de sobremesa o especial, como una muñequera protectora con resistencia en serie).




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8.4. CONDUCTIVIDAD Y RELAJACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA EN LÍQUIDOS A excepción de nieblas, la acumulación electrostática no es significativa cuando la conductividad del líquido supera los 50 pS / y el fluido se maneja en contenedores conductores. Por encima de este valor, se produce la generación de carga (por ejemplo, el flujo a través de un filtro), pero se recombinan cargas tan rápido como están separados. Por lo tanto, no se produce acumulación neta. La acumulación de carga electrostática puede ser importante cuando la conductividad del líquido está por debajo de 50 pS/m. Todos los hidrocarburos comerciales contienen pequeñas cantidades de material ionizable. Cuando el hidrocarburo fluye por el interior de una tubería o un filtro, una parte del material iónico permanece absorbido en la superficie. Así, el hidrocarburo que fluye adquiere una carga y cuando se deja en reposo, el hidrocarburo vuelve gradualmente a la neutralidad eléctrica. Este proceso se denomina disipación de la carga o relajación de carga. La velocidad a la que se alcanza el equilibrio está determinada por las propiedades físicas de los líquidos. Este mecanismo de disipación, se inicia tan pronto como la carga se genera y puede continuar después que dicha generación se ha detenido. La capacidad de un líquido para disipar la carga está en función de:

a. la conductividad del producto que se maneja.

b. la conductividad del contenedor.

c. la capacidad del recipiente para purgar una carga a tierra.

La pérdida de carga puede ser evaluada utilizando el concepto de tiempo de relajación (τ) que es una constante de tiempo en función de la conductividad (κ) y la constante dieléctrica (εr) de acuerdo a:

La determinación del tiempo de relajación permite que la tasa de disipación obedezca la lay de Ohm para cualquier proceso. Por definición de resistencia eléctrica (R) y de la capacidad (C) en un capacitor de placas paralelas, definiciones aplicadas a la descarga se obtiene que el proceso de relajación obedece a:

Siendo Qt la carga restante en cualquier momento t expresada en términos de la carga inicial Q0. La constante de tiempo puede expresarse como: τ = R.C. El tiempo de relajación (τ) es un parámetro que indica la velocidad a la que se pierde carga de un líquido, representando tanto su conductividad eléctrica (κ) y permisividad (εr ε0).

8.5. OPERACIÓN DE LLENADO DE CAMIONES CISTERNA Tanto los caños de carga superior como los de carga inferior, los desagües de fondo de carga deben estar equipados con deflectores de salpicaduras. La velocidad del líquido en la línea de llenado debe limitarse a 1 m/s para evitar la pulverización y para minimizar la turbulencia de superficie. Para los productos con conductividades <50 pS /m debe proporcionarse aguas debajo de los filtros un tiempo de residencia de al menos 30 segundos. Para los productos con conductividades <2 pS/m, (o cuando se desconozca la conductividad del líquido a la temperatura de carga) el tiempo de residencia debe ser al menos de 100 segundos. Un período de espera de al menos 1 minuto se debe permitir antes de un medir o muestrear el tanque cargado. El tiempo de residencia es una función de la configuración del equipo y las condiciones de funcionamiento. Todas las partes metálicas del conjunto de los elementos de carga deben estar conectadas a tierra. La inserción de una manguera no conductora equipada con una boquilla metálica de acoplamiento en su salida debe ser evitada a menos que la boquilla esté unida a la línea de llenado y al tanque del camión de manera que formen un camino conductor continuo. Las pruebas han demostrado que las resistencias en estas piezas son normalmente menores de 10 ohmios, lo suficientemente bajas para evitar la acumulación de cargas estáticas. Si hay partes metálicas sin conexión a tierra en los elementos de llenado pueden generarse chispas externas (por ejemplo bridas metálicas entre dos secciones de la manguera conductora). La conductividad de muchos productos de la refinación del petróleo puede estar muy por debajo de 50 pS/m, y la acumulación de carga electrostática es probable en estos casos. La acumulación de carga es aún más probable para la ultra-baja conductividad (menos de 2 pS/ m) de los hidrocarburos. Los siguientes mecanismos de generación de carga se refieren a las operaciones de llenado del camión cisterna:

a. el flujo del producto a través de filtros y pantallas: puede producir una carga electrostática alta. El grado de peligro depende del tamaño de las aberturas en el filtro o pantalla. Cuando la conductividad del producto es menor que 50 pS/m un tiempo de residencia adecuado debe proporcionarse aguas abajo del filtro o pantalla para permitir la relajación de carga suficiente. La necesidad de tiempo de residencia para la relajación de carga aumenta a medida que disminuye la conductividad.

b. el flujo del producto a través de tuberías: genera carga estática cuya magnitud está en función de la composición de un fluido y la tasa de flujo del producto que no debe superar los 7 m/s.

CONDUCTIVIDAD Y CONSTANTE DE TIEMPO DE RELAJACIÓN DE ALGUNOS LIQUIDOS

PRODUCTO CONDUCTIVIDAD

(pS/m) τ (seg)

Benceno 0,005 >100

Xileno 0,1 210

Tolueno 1 21

Nafta 10 - 3000 1,8 – 0,006

Gas Oíl < 50 >36

Aceite Lubricante 0,1 - 1000 180 – 0,018

Asfalto >1000 <0,018

Petróleo Crudo >1000 <0,018




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c. salpicaduras durante la carga: en este caso, la carga electrostática se genera en el líquido por la turbulencia y por la generación de niebla cargada. Las salpicaduras durante el llenado se deben evitar para minimizar la turbulencia y la generación de vapor.

d. flujo de líquido multifásico: genera cargas electrostáticas como resultado tanto del flujo a través de la cañería (donde la presencia de múltiples fases aumenta el potencial de generación de carga) y una vez estacionado el líquido en el tanque. La velocidad de flujo de entrada debe limitarse a 1 m/s durante toda la operación de llenado. Además, debe procurarse un período de espera adecuado para permitir la relajación de la carga antes de que cualquier objeto, como indicador de temperatura o recipiente de la muestra se introduzca en el compartimiento de tanque

Existen estudios que han estimado que la frecuencia de igniciones estáticas relacionadas con la carga de camiones es de aproximadamente uno por millón cargas y han implicado al menos una de las condiciones mencionadas. En la mayoría de estos accidentes, la causa fue atribuida al incumplimiento de los procedimientos. Sin embargo, en los pocos incidentes en el que todos los procedimientos de seguridad parecen haber sido seguidos, muchos de los factores de riesgo estaban presentes en niveles cercanos a los límites de seguridad establecidos. Cuando los factores de riesgo están cerca de sus límites de seguridad, la posibilidad de una ignición es mayor que el promedio. Durante las operaciones de muestreo y medición en el tanque se puede introducir promotores de chispa aumentando la probabilidad de una descarga estática.

8.6. DESCARGAS ESTÁTICAS EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO Las chispas y las descargas de pincel (Brush discharges) pueden encender las mezclas almacenadas en un tanque. Las Brush discharges se producen entre un objeto conductor y un líquido cargado de baja conductividad. Estas descargas pueden ser eliminadas, evitando la acumulación de carga a través del tiempo de residencia adecuado como poner restricciones al flujo y evitando objetos conductores que sobresalgan del contenedor. Un promotor chispa es un objeto conectado o no a tierra que proporciona la chispa necesaria para la

Figura 43: Movimiento de cargas eléctricas durante el llenado de un camión cisterna y conexiones equipotenciales

Figura 44: Promotores de chispa y Brush discharge en tanque




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inflamación del líquido cargado cuando está cercano a la superficie del mismo. Algunos ejemplos de promotores de chispa son: a. los objetos conductores sueltos o

residuos flotantes en el interior del tanque.

b. el caño de llenado superior que no alcanza el fondo del tanque.

c. varillas o sondas de la pared lateral que no están conectados a tierra.

d. los recipientes de muestras o los termómetros que se bajan en el espacio de vapor del tanque.

e. los acoplamientos de las cañerías que no están conectados a tierra.

Dos tipos de promotores de chispa se muestran en las figuras 44 y 45. Durante el diseño, mantenimiento y operación se deben tener las precauciones para evitar los promotores de chispa. En los Tanques con techo flotante se requiere alguna forma de conexión entre el techo flotante y la cubierta puesta a tierra, ya sea por el uso de derivaciones conductoras o un cable metálico. Esto será suficiente para eliminar las cargas electrostáticas en el techo flotante o en la cubierta. NFPA 30. 1-7.3.1 (Fragmentos): Líquido Inflamable. Cualquier líquido que posea un punto de inflamación de copa cerrada por debajo de 100°F (37,8°C), determinado de acuerdo con los procedimientos y aparatos de ensayo especificados en 1-7.4. Líquido Clase I. Cualquier líquido que posee un punto de inflamación de copa cerrada por debajo de 100°F (37,8°C) y una presión de vapor Reid que no supere los 40 lb/pulg² abs. (2068,6 mm Hg) a 100°F (37,8°C). Los líquidos Clase IA incluirán aquellos líquidos que poseen puntos de inflamación por debajo de 73°F (22,8°C) y puntos de ebullición por debajo de 100°F (37,8°C). Los líquidos Clase IB incluirán aquellos líquidos que poseen puntos de inflamación por debajo de 73°F (22,8°C) y cuyos puntos de ebullición son iguales o superiores a 100°F (37,8°C). Los líquidos Clase IC incluirán aquellos líquidos cuyos puntos de inflamación son 73°F (22,8°C) o superiores, pero inferiores a 100°F (37,8°C).

8.7. CONTROL DE LA ELECTRICIDAD ESTÁTICA Puesta a tierra y equipotencialización de masas conductoras: proporciona una vía de fuga de las cargas estáticas acumuladas en cuerpos conductores. La puesta a tierra, sin embargo, no ofrece una solución en todos los casos, especialmente cuando se trata de proteger contra chipas a un voluminoso material no conductor. En este caso, el material puede retener la carga eléctrica suficiente para provocar la descarga. Control de la humedad: Muchos materiales aislantes tales como tela, papel, etc., absorben pequeñas cantidades de agua cuando la humedad atmosférica es suficientemente alta. Incluso en el caso de materiales no absorbentes, una capa delgada de humedad se deposita en la superficie (por ejemplo, la placa de vidrio). Si el ambiente tiene una humedad de más del 50%, de los materiales se escapan cargas tan rápido como se producen evitando la acumulación de cargas. La mayoría de los materiales se secan cuando la humedad es inferior al 30%. Esto se traduce en mayor acumulación de carga. Mantener los niveles de humedad entre el 60-70% puede, en muchos casos; resolver los problemas de estática. Ionización: consiste en la separación forzada de electrones en las moléculas de aire por la aplicación de estrés eléctrico u otras formas de energía. El aire ionizado se hace conductor y puede drenar cargas. Los iones positivos y los electrones son atraídos también por las cargas positivas y negativas, respectivamente, por lo tanto la resultante es la neutralización de carga. La ionización se puede producir por alta tensión o por la luz ultravioleta. Estos métodos de ionización no pueden utilizarse para ambientes donde existan mezclas de gases inflamables. Materiales anti-estáticos (conductores): Dado que la acumulación de carga requiere que una de las superficies sea no conductora, se deduce que al hacer, al menos ligeramente, esta superficie conductora se reducirá la acumulación de carga. Por ejemplo el uso de suelo de conductor. La resistencia del suelo debe ser inferior a 1 MΩ, cuando se mide entre dos puntos separados aproximadamente 1 m. Al mismo tiempo, la resistencia debe ser > 25000 Ω para evitar una descarga en el personal. Además, los materiales con menores propiedades estáticas deben utilizarse siempre que sea necesario. En salas de control y zonas similares la descarga estática puede destruirlo circuitos integrados.

Figura 45: Promotor flotante de chispa




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9. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

9.1. OBJETIVOS DE LA PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Las plantas de proceso pertenecen a las estructuras más grandes y sofisticadas que deben estar protegidas contra los rayos de origen atmosférico. Para ello se deben tomar las medidas especiales necesarias para asegurar la fiabilidad, la calidad y la eficiencia de esta industria en particular. Los costos de reparación para la sustitución de los sistemas dañados por las descargas atmosféricas son mucho más altos que los de la instalación de dispositivos eléctricos de continuidad o dispositivos de protección contra sobretensiones. En general, las precauciones necesarias deben apuntar a:

a. mantener canales conductivos de rayo lejos de materiales inflamables y explosivos.

b. evitar chispas o descargas disruptivas por tensiones inducidas en las estructuras metálicas y partes o elementos

metálicos cercanos.

c. evitar sobrecalentamiento de los conductores.

d. evitar el aumento del potencial del sistema de puesta a tierra.

9.2. EL RAYO La propiedad más importante de un rayo es su complejidad. No existe un rayo estándar. Por lo tanto, el comportamiento del rayo puede ser mejor descripto y analizado en términos estadísticos. En general, la distribución estadística de las características de los rayos varía con el terreno, la altitud, la latitud y época del año. Todas estas variaciones se deben considerar en la evaluación del riesgo planteado por los rayos y el diseño de cualquier sistema de protección contra rayos para una ubicación específica. Incluso cuando todas las precauciones conocidas son empleados, la prevención o disipación del rayo directo no puede ser absolutamente seguro. En el caso de corrientes de rayo indirecto, pueden aparecer chispas en algunos segmentos de un sistema de protección en el que se utilizan los métodos más conocidos y dispositivos de precaución. Los métodos de protección que recomiendan las normas han sido en general exitosos, pero no ofrecen una garantía de éxito. Las tormentas eléctricas implican el movimiento relativamente lento de las nubes cargadas que establecen un campo electrostático sobre una gran área superficial por debajo de la nube. El campo induce una carga opuesta en la superficie de la tierra a una velocidad relativamente lenta y que se mueve junto con la nube. En este momento los flujos de corriente de descarga son relativamente pequeños y no causan ningún daño. Cuando el rayo se descarga fluye una corriente a tierra hacia el punto de impacto propagándose por la atmósfera de manera ramificada con canales principales de plasma de alta conductividad de una longitud que varía entre 3 m y 300 m a una velocidad de propagación de 100.000 m/s hasta275.000 m/s con carga eléctrica que puede estar entre 3 y 20 culombios. Debido a la concentración de carga la intensidad del campo eléctrico puede ser suficiente para ionizar el aire a una distancia considerable, más de 9 m desde la punta del rayo. Descargas corona a partir del final del rayo preparan el camino para el siguiente rayo. Cuando el rayo se acerca a nivel del suelo, la alta resistencia del campo eléctrico puede causar la iniciación de una descarga desde el suelo hacia arriba. El rayo directo que impacta sobre una estructura puede generar chispas entre distintos objetos conductores que se encuentran en su camino, además de una concentración de carga estática y puede dañar seriamente los objetos como resultado de la energía térmica y las fuerzas mecánicas asociadas, así como por ignición directa de materiales inflamables. La corriente eléctrica y la energía depositada por un rayo puede ser lo suficientemente alta como para fundir los componentes metálicos delgados y destruir los componentes electrónicos si no están diseñados para propagar a tierra o desviar la energía. Además un rayo de impacto directo puede causar descargas secundarias generando chispas en equipos que están relativamente apartados. El cuerpo metálico inicialmente se carga por medio de la inducción a un ritmo lento sin causar daño a través de su alta resistencia a tierra. Cuando un rayo cae cerca, esta carga inducida se libera de repente en una descarga a tierra, que puede encender una mezcla inflamable.

9.3. PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO

9.3.1. Puesta a tierra Los tanques metálicos, equipos y estructuras que se encuentran comúnmente en la industria petrolera que están en contacto directo con el suelo, es decir, sin membranas conductoras, han demostrado ser autosuficientes para brindar seguridad durante la propagación a tierra de una descarga atmosférica. La puesta a tierra de seguridad ni disminuye ni aumenta la probabilidad que los que los equipos sean golpeados por un rayo, ni reduce la posibilidad de ignición de los contenidos. Los equipos metálicos que no se apoyan directamente en el suelo, pero están conectados a tierra son generalmente seguros para la propagación a tierra de los rayos. Estos equipos pueden requerir de puesta a tierra suplementaria para evitar daños a las fundaciones. Los tanques metálicos, equipos y estructuras que están aislados de la tierra deben estar conectados a tierra y entre sí. Las estructuras de materiales aislantes, tales como edificios de madera, plástico, ladrillos, baldosas u hormigón no suelen ser conectadas a tierra, sin embargo pueden ser protegidos por medio de un adecuado diseño de los sistemas de protección contra rayos. Conectar edificios, estructuras y equipos produce un sistema único de PAT perfectamente equipotencial de baja impedancia que además tiene ventajas significativas relacionadas con los requisitos de compatibilidad electromagnética.




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Figura 46: Esquema de puesta a tierra recomendado por IEC 62305

9.3.2. Reducción del peligro de descargas

9.3.2.1. Estructuras metálicas que contienen gases o líquidos explosivos Las estructuras metálicas que pueden considerarse autoprotegidas contra el daño provocado por los rayos son las eléctricamente continuas, cerradas herméticamente para evitar el escape de líquidos, vapores o gases y que tengan un espesor mínimo de 4,8 mm de la envolvente metálica. Sin embargo debido a la naturaleza de los contenidos de las estructuras consideradas se deben tomar precauciones adiciónales referidas a una correcta puesta a tierra, al escape y concentraciones del fluido, a la instalación antiexplosiva, eliminación de la posibilidad de chispas, etc. En otras estructuras la protección se consigue mediante el uso de pararrayos, puntas, hilos de guardia, etc.




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9.3.2.2. Tanques de almacenamiento de techo fijo que contengan líquidos o vapores inflamables. Tanques metálicos con techos de acero de construcción remachada, atornillada o soldada, con o sin elementos de soporte, que se utilizan para el almacenamiento de líquidos que emiten vapores inflamables a la presión atmosférica se considerarán autoprotegidos contra los rayos si se cumple los siguientes requisitos:

a. todas las juntas entre placas metálicas deben estar remachadas, atornilladas o soldadas.

b. todas las cañerías que entran en el tanque deben ser metálicas conectadas al tanque en el punto de entrada.

c. todas las aberturas de vapor o de gas deben estar cerradas o provistas de protección contra las llamas en lugares

donde el líquido o gas produce una mezcla inflamable aire-vapor en condiciones de almacenamiento.

d. el techo tendrá un espesor mínimo de 4,8 mm.

e. el techo deberá ser soldada, atornillada o remachado a la cubierta.

9.3.2.3. Tanques de almacenamiento de techo flotante que contengan líquidos o vapores inflamables. Cuando en los techos flotantes se utilizan perchas situadas dentro del espacio de vapor, el techo deberá conectarse eléctricamente a las zapatas de deslizamiento a intervalos no mayor de 3 m en toda la circunferencia del tanque mediante derivaciones constituidas por flejes de acero inoxidable del tipo flexible [0,4 mm x 50 mm] o equivalente de un metal con la misma en capacidad de corriente y resistencia a la corrosión. La zapata metálica debe mantenerse en contacto permanente con la cubierta. Todos los elementos metálicos que se instalen en el techo flotante deben tener continuidad eléctrica con la zapatas de deslizamiento.

9.3.2.4. Puesta a tierra de los tanques de almacenamiento. Los tanques deben estar conectados a tierra para conducir la corriente de descarga directa y la acumulación de cargas estáticas que puedan generar chispas. La conexión a tierra se hará como mínimo con dos terminales separados a una distancia máxima de 30 metros según el perímetro del tanque. Para tanques de más de 60 metros de perímetro las conexiones se harán a intervalos n o mayores a 30 metros a lo largo del perímetro del tanque.

9.4. NORMATIVA DE APLICACIÓN IRAM 2184-1 y IRAM 2184-1-1: Protección de estructuras contra descargas atmosféricas. IEC-1024-1 y IEC-62305-1: Protección de estructuras contra descargas atmosféricas. API RP 2003; 2008: Protection Against Ignitions Arising Out of Static, Lightning, and Stray Currents NFPA 780, Standard for the Installation of Lightning Protection Systems, 2008 Edition




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10. CORROSIÓN Y PROTECCIÓN CATÓDICA La corrosión puede ser definida como el deterioro de un metal que resulta de una reacción con su medio ambiente. La corrosión de estructuras de acero es un proceso electroquímico. Hay cuatro componentes en cada celda de corrosión: un ánodo, un cátodo, un camino metálico que conecta el ánodo y el cátodo, y un electrolito (Figura 48). La función de cada componente en el proceso de corrosión es como sigue:

a. En el ánodo, el metal de base se corroe por la liberación de electrones formando iones positivos.

b. En el cátodo, las reacciones químicas tienen lugar con los electrones liberados en el ánodo. El cátodo no se corroe.

c. La ruta metálica ánodo-cátodo proporciona el camino por donde fluyen electrones liberados del ánodo hacia el cátodo.

d. El electrolito contiene iones (aniones y cationes) que se sienten atraídos por el ánodo y el cátodo, respectivamente. El suelo húmedo es el electrolito más común para las superficies exteriores de la parte inferior de los tanques de almacenamiento y cañerías, mientras que el agua y lodos en general son los electrolitos para las superficies internas.

10.1. CORROSIÓN EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO La corrosión general y las picaduras son los dos tipos más comunes de corrosión relativas a fondos de los tanques. La corrosión general, produce pérdida de metal relativamente uniforme en la superficie metálica. En las picaduras la pérdida de metal queda concentrada en áreas relativamente pequeñas. La corrosión también puede ser causada por las diferencias de potencial entre el metal de soldadura (zona afectada por el calor) y el metal sobre el que se suelda. Las propiedades físicas y químicas del electrolito también influyen en la ubicación de las áreas catódica sobre la superficie metálica. Diferentes concentraciones de oxígeno entre zonas en una superficie de acero puede generar diferencias de potencial. Las áreas con concentraciones de oxígeno más bajos serán anódicas y las áreas con concentraciones de oxígeno más altas altas serán catódicas. Esto causa corrosión en las zonas donde la arcilla u otros desechos quedan en contacto con una parte inferior del tanque de acero o donde un tanque se establece en dos diferentes tipos de suelo (Figura 49). Las características del suelo afectan sustancialmente el tipo y la velocidad de corrosión en una estructura en contacto con el suelo. Factores de contenido de humedad, pH, concentración de oxígeno, y otros interactúan de manera compleja para influir en la corrosión. Las corrientes parásitas viajan a través del electrolito suelo. Por lo general la estructura afectada recoge estas corrientes que pueden afectar al fondo del tanque sin protección. Estas corrientes se generan a partir de sistemas de alimentación de CC, puestas a tierra, rieles de ferrocarriles eléctricos, metro, máquinas de soldar, los sistemas de corriente impresa de protección catódica, y

Figura 47: Termodinámica de la corrosión del Hierro

Figura 48: Celda de corrosión electrolítica

Figura 49: Célula de concentración de oxígeno causada por piedras o barro en base del tanque




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los generadores termoeléctricos. La severidad de la corrosión (pérdida de metal) resultante de las corrientes parásitas depende de varios factores:

a. La separación de las estructuras afectadas y la ubicación de la fuente de corrientes parásitas. b. La magnitud y la densidad de la corriente. c. Calidad o ausencia de un recubrimiento de las estructuras afectadas. d. La presencia y ubicación de las juntas mecánicas con alta resistencia eléctrica.

La corrosión galvánica se produce cuando dos metales de diferentes potenciales electrolíticos están conectados. La corriente fluirá desde el metal más activo (ánodo) al metal menos activo (cátodo) con ataque acelerado en el ánodo. Por ejemplo, la corrosión galvánica puede ocurrir cuando una válvula de retención de bronce se une a la tubería de acero al carbono o acero inoxidable o cobre que está conectado a un tanque de acero al carbono. La cañería se convierte en el cátodo siendo el tanque de acero el ánodo. Como la corriente toma el camino de menor resistencia, el ataque de la corrosión más grave se producirá en el área del tanque inmediatamente adyacente a la tubería, como se muestra en la Figura 50. La experiencia ha revelado que la corrosión se puede producir, además de los factores antedichos, en la superficie interior del fondo del tanque por muchos factores asociados con la composición del fluido que se almacena. Entre estos factores se citan como principales:

a. Conductividad de los sólidos disueltos. b. De sólidos en suspensión. c. El nivel de pH. d. Los gases disueltos tales como C02, H2S, 02.

10.1.2. Necesidad de protección catódica Si se produce corrosión, deben adoptarse procedimientos de control para garantizar la integridad del metal para un funcionamiento seguro durante la vida útil del tanque. Las decisiones relativas a la necesidad de la protección catódica se basan en datos de encuestas, de los registros de operación, de los resultados de exámenes anteriores con sistemas de tanques similares en ambientes similares, de los requisitos de los códigos locales, y las recomendaciones normativas de aplicación.

10.2. CONFLICTO ENTRE LA PUESTA A TIERRA Y LA PROTECCIÓN CATÓDICA La unión común de estructuras ferrosas a las redes de cobre de puesta a tierra crea problemas de corrosión a la hora de proteger los equipos, estructuras y cañerías ferrosas. El sistema de puesta a tierra proporciona una resistencia menor que una conexión a tierra individual. Esto tiende a asegurar un camino de resistencia baja a las corrientes de de retorno de tierra y corrientes de falla. Un beneficio adicional es la minimización de los gradientes de potencial de tierra alrededor de los electrodos de puesta a tierra o elementos. También tiende a reducir tensiones de paso y contacto. Las interconexiones eléctricas a través de la puesta a tierra de metales diferentes en el electrolito del suelo pueden conducir a un aumento significativo de las tasas de corrosión en algunas de las estructuras ferrosas. Cuando los materiales tales como hierro negro, el hierro fundido, el hierro dúctil y el acero están muy próximos entre sí, e interconectados, cada uno de ellos sufre fenómenos de corrosión adiciónales. En suelos de baja resistividad eléctrica, pH bajo, u otras características agresivas (Ver Tabla), la corrosión de las tuberías debe ser tratada mediante revestimientos dieléctricos de protección suplementados con protección catódica. Cuando una pareja de metales disímiles se crea mediante la conexión eléctrica del hierro y el cobre o bronce, se crea una pila de corrosión galvánica muy importante. El cobre es electro-positivo con respecto a todos los materiales ferrosos y no se polariza fácilmente. Por lo tanto la el proceso de corrosión acelerada es el resultado en las estructuras ferrosas cuando están directamente acoplados al cobre desnudo en el suelo. La Protección Catódica se utiliza de forma sistemática en las plantas de energía, instalaciones industriales, en la producción de crudo y gas natural y las instalaciones de transporte. En la mayoría de los casos, la tubería subterránea está provista

Figura 50: Corrosión galvánica en base de tanque de almacenamiento

CLASIFICACIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO SEGÚN EL POTENCIAL DE ACTIVIDAD CORROSIVA

Resistividad (Ω cm) Actividad Corrosiva

<500 Muy corrosivo

500 – 1.000 Corrosivo

1.000 – 2.000 Moderadamente corrosivo

2.000 – 10.000 Medianamente corrosivo

>10.000 Poco corrosivo




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de un recubrimiento dieléctrico para crear una barrera de control de corrosión entre la superficie del tubo y el entorno local del suelo o el agua. La combinación de revestimientos dieléctricos suplementadas con la protección catódica produce un sistema de bajo costo contra la corrosión. Cuando dicho sistema está directamente conectado a un sistema de puesta a tierra de cobre desnudo, el total de la demanda de corriente puede aumentar en varios órdenes de magnitud. Esto crea un conflicto serio entre el diseño de la protección catódica y la ingeniería eléctrica de seguridad. Cuando se utilizan sistemas masivos de tierra de cobre la red crea una carga grande sobre el sistema de protección catódica. En algunos casos, la demanda de corriente del sistema de puesta a tierra puede superar el 90% de la producción total del sistema de corriente impresa. De no haber sistema de corriente impresa o si la misma estuviera fuera de servicio, un par galvánico fuerte se crea entre la tubería de hierro y la red de puesta a tierra. Existen alternativas aceptables a la utilización de conductores de cobre desnudos, tales como el uso de cables de acero galvanizado. La protección catódica se puede aplicar a estas redes ferrosas de conexión a tierra. Cuando el cobre está enterrado en condiciones ácidas del suelo, la velocidad de corrosión puede ser mayor que la del hierro o acero en el mismo ambiente.

10.3. NORMATIVA DE APLICACION API 570; API 651; API 653; API 1160; ASME B31.4; NACE RP0193 - 2001 AEA 771.14.1 Protección contra la corrosión Las canalizaciones metálicas, accesorios, cajas, tableros, herrajes y todos los elementos de apoyo, deben ser de un material adecuado para soportar el medio en el que estén instalados. Las canalizaciones, accesorios, cajas, tableros, herrajes, elementos de apoyo y material de fijación, que sean de hierro, deben protegerse adecuadamente contra la corrosión, con un material adecuado para este fin, como zinc, cadmio o esmalte. Si las canalizaciones estuvieran protegidas contra la corrosión solo mediante esmalte no podrán utilizarse a la intemperie ni en lugares húmedos o mojados, a la vista. Los conductos y cañerías metálicas ferrosos, cuando se instalen embutidos, deberán estar protegidos por esmalte antioxidante u otro método de eficacia equivalente y probada y solo deberán cubrirse con concreto o mortero de cemento sin parte alguna de cal ni yeso. No se permite el contacto directo de la canalización metálica, aunque esté esmaltada con mortero de cal o yeso.




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11. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM) La CEM es un hecho debido a que equipos y sistemas soportan mutuamente sus efectos electromagnéticos. Según el vocabulario electrotécnico internacional VEI 161-01-07, la CEM es la capacidad de un dispositivo, equipo o sistema, para funcionar de manera satisfactoria en su entorno electromagnético sin introducir perturbaciones intolerables precisamente por estar en dicho entorno. Esta definición es la misma que adopta la norma NF C 15-100, apartado 33. Actualmente, la CEM es una disciplina que trata de mejorar la convivencia entre elementos que pueden emitir perturbaciones electromagnéticas y/o de ser susceptibles de padecerlas. De hecho y desde siempre, todo aparato está sometido a diversas perturbaciones electromagnéticas y en mayor o menor medida todo aparato eléctrico las genera. Estas perturbaciones se generan de diversas maneras. En principio, las principales causas generadoras son variaciones bruscas de magnitudes eléctricas, tensión o corriente que se pueden propagar por conducción, a lo largo de los cables, o por radiación, en forma de ondas electromagnéticas. Las perturbaciones producen fenómenos indeseables; dos ejemplos de ello pueden ser los ruidos y chasquidos que oímos en la radio, y las interferencias de estas emisiones radioeléctricas en los sistemas control y mando. En estos últimos años se han presentado una serie de factores que dan más importancia a la CEM:

a. las perturbaciones son cada vez más importantes ya que tensiones e intensidades van en aumento. b. los circuitos electrónicos son cada vez más sensibles. c. las distancias entre los circuitos sensibles (a menudo electrónicos) y los circuitos perturbadores (de potencia) se

reducen. La CEM es, pues, un criterio fundamental que se ha de respetar en todas las fases de desarrollo y fabricación de productos pero también en las fases de instalación y de cableado. Actualmente las normas tienen en cuenta la CEM y esta compatibilidad se está convirtiendo en un requisito legal imprescindible. Cualquier aproximación a la CEM implica el estudio de un sistema compuesto de tres elementos:

a. el generador de perturbaciones o fuente. b. la propagación o acoplamiento. c. el elemento perturbador o víctima.

Aunque estos tres elementos no son estrictamente independientes, en la práctica se tratan como si lo fueran. El estudio teórico es complejo, ya que está relacionado con el de la propagación de ondas electromagnéticas descrito por el conjunto de ecuaciones diferenciales de Maxwell. Estas ecuaciones generalmente no se pueden resolver de forma exacta en las estructuras físicas reales; incluso con los sistemas informáticos más potentes es muy difícil conseguir un resultado numérico suficientemente aproximado. En la práctica, hay que tratar los problemas de compatibilidad electromagnética utilizando un cierto número de hipótesis simplificadoras, usando modelos y, sobre todo, recurriendo constantemente a la experimentación y a la medida.

11.1. FUENTES DE PERTURBACIONES Se considera una fuente cualquier aparato o fenómeno físico-eléctrico que emita una perturbación electromagnética, por conducción o radiación. Entre las principales causas de las perturbaciones hay que destacar: la distribución de energía eléctrica, las ondas hercianas, las descargas electrostáticas y el rayo. En la distribución de la energía eléctrica gran parte de las perturbaciones provienen de maniobras de cierre y apertura de circuitos: a) en BT, las aperturas de circuitos inductivos, como las bobinas de contactores, motores, electroválvulas, etc., producen en los bornes de estos arrollamientos subidas de tensión muy importantes y de alta frecuencia (algunos kV y decenas y hasta centenares de MHz) y b) en MT y AT la apertura y el cierre de los elementos de corte provocan la aparición de ondas de frente muy abrupto (de algunos nanosegundos). Estas ondas perturban, en especial, a los sistemas con microprocesadores. Para algunos equipos electrónicos, las ondas hercianas que provienen de los sistemas de tele vigilancia y telemando, de comunicaciones por radio, televisión, walkietalkie, etc., son fuentes de perturbación que pueden llegar a ser del orden de algunos voltios por metro. El uso de todos estos elementos emisores va en aumento, lo que lleva a la necesidad de endurecer (proteger) estos equipos. Por último, hay que tener presente que las personas se pueden cargar electrostáticamente, por ejemplo caminando sobre un piso aislado. Con un tiempo frío y seco, el cuerpo humano puede llegar a un potencial superior a 25 kV. Cualquier contacto con un equipo electrónico provoca entonces una descarga eléctrica que puede afectar al aparato por conducción o por radiación, y cuya rampa de subida (muy corta, de algunos nanosegundos) produce una gran cantidad de perturbaciones. Las fuentes se distinguen de forma general por las características de las perturbaciones que inducen, según: a) el espectro, b) la forma de onda, o el tiempo de subida, o la envolvente del espectro, c) la amplitud, d) la energía.

11.2. PERTURBACIONES POR CONDUCCIÓN EN ELECTRÓNICA DE POTENCIA En electrónica de potencia, las fuentes de perturbaciones son principalmente transitorias de tensión, y más raramente, de corriente. La tensión puede variar en unas cuantas centenas de voltios en unas decenas de nanosegundo, lo que representa una dV/dt superior a 109 V/s. Es un ejemplo de esto la técnica de generación de una onda senoidal a partir de una tensión continua mediante la modulación de ancho de impulso (PWM) (figura 51) en la que se presentan variaciones de tensión entre 0 y Ucc (660 V en trifásica-rectificada) de tiempos muy cortos, de algunos nanosegundos a microsegundos, según las tecnologías. Estas




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variaciones bruscas de tensión producen diversos fenómenos perturbadores, de los que el más molesto es, por experiencia, la circulación de corriente a través de todas las capacidades parasitarias. La corriente, en modo común, de esta capacidad parásita Cp, es IMC = Cp.dV/dT. Teniendo en cuenta que la corriente de la capacidad parásita Cp es IMC = Cp.dV/dT. Por tanto, los valores de frentes antes citados sobre una capacidad parásita de 100 pF, son suficientes para producir corrientes de bastantes centenas de mA. Esta corriente perturbadora circula por el conductor de referencia de tensión de los aparatos electrónicos (circuito 0 V) y puede modificar la información (de datos o de programas) superponiéndose a sus débiles señales, y hasta perjudicar a otros equipos al ser reinyectada a la red de distribución pública.

Cabe señalar que la electrónica de baja corriente (control y mando) de un convertidor debe de estar, y lo está, protegida contra las perturbaciones generadas por sus propios circuitos de potencia. Para limitar de una manera eficaz y económica la emisión por conducción, se necesita comprender y dominar el fenómeno en la «fuente». Existen otras fuentes de perturbación por conducción que se dan con menos frecuencia, como la del rayo o las subidas de tensión de maniobra, capaces de generar unas dV/dt y dl/dt importantes. Estas perturbaciones generan también campos radiados.

11.3. PERTURBACIONES POR RADIACIÓN A CAUSA DEL CIERRE DE APARATOS EN MT Alrededor de los centros de transformación, especialmente de media tensión, pueden aparecer campos electromagnéticos de impulso muy intensos. Ciertas maniobras generan variaciones de tensión muy superiores a las nominales y en tiempos muy cortos. Por ejemplo, al cerrar un interruptor de 24 kV los chisporroteos de precebado hacen variar la tensión en algunas decenas de kV en unos pocos nanosegundos. Las medidas efectuadas en los laboratorios han puesto de manifiesto que a un metro de una celda MT de 24 kV, durante la maniobra, los campos sinusoidales amortiguados alcanzan un valor de cresta de 7,7 kV/m y una frecuencia de 80 MHz. Estas variaciones se propagan por los conductores, juegos de barras, cables y líneas aéreas. Los campos electromagnéticos que generan tienen características que dependen en gran medida del entorno físico, especialmente de las envolventes metálicas (tabiques, celdas). Cuando se producen variaciones bruscas de tensión, en el interior de las envolventes metálicas tubulares se crean fenómenos de ondas estacionarias, que se deben a reflexiones sobre elementos que representan cambios bruscos de impedancia, por ejemplo, los aisladores de salida de la celda.

11.4. ACOPLAMIENTO En CEM se entiende como acoplamiento el enlace, el paso o transmisión de perturbaciones electromagnéticas de la fuente a la víctima. Se distinguen tres tipos de acoplamiento:

a. de campo a cable, en modo común o diferencial. b. por impedancia común. c. de cable a cable en modo diferencial o diafonía.

Figura 51: Perturbación por electrónica de potencia




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11.4.1. Acoplamiento de campo a cable

Un campo electromagnético se puede acoplar a cualquier estructura filamentosa, por tanto a todos los cables, y generar, en estas estructuras, tensiones ya sea de tipo común (respecto a masa), ya sea de tipo diferencial (entre hilos), o las dos. Estos acoplamientos se denominan campo a cable; es el efecto de antena de los cables, de las pistas de circuitos impresos, etc. Una tensión conducida en modo común (VMC) es una tensión que se aplica al conjunto de los conductores activos. Esta tensión se referencia respecto a masa o respecto a tierra (caso habitual en electrotecnia): así los ensayos de aislamiento en modo común de los interruptores automáticos BT se hacen entre todas las fases conectadas y tierra. Una corriente en modo común (IMC) es una corriente que recorre todos los conductores activos en el mismo sentido . La corriente inducida por la caída de un rayo sobre una línea de BT es una corriente en modo común. Los acoplamientos en modo diferencial implican tensiones o corrientes en el sentido clásico de la palabra, por ejemplo entre las dos fases de un interruptor automático o entre los dos hilos que conducen una señal de medida a un elemento electrónico. Así en un centro de transformación MT, en un bucle (de un hilo o de un cable) de 100 cm2 situado a 1 m de una celda sometido a un campo impulsional de 5,5 kVef /m (valor medido en laboratorio), se inducirá una tensión transitoria en serie, igual a 15 V. Esto se considera como válido si el lado mayor del bucle no sobrepasa una décima de la longitud de onda de la perturbación. Un bucle de este tipo se crea fácilmente en una «caja de relés» con los cables verde-amarillo cuando están conectados en estrella a la masa. Uno de estos acoplamientos, simple y de los más frecuentes, se puede expresar de forma analítica, si se trata de un acoplamiento entre el componente magnético de un campo electromagnético y un bucle de superficie S formada por conductores (figura 52).

11.4.2. Acoplamiento por impedancia común

El acoplamiento por impedancia común es el resultado de la presencia de una impedancia común a dos o varios circuitos. Esta impedancia común puede ser el conjunto de masa, la red de tierra, la red de distribución de energía, el conductor de retorno de gran parte de las señales en un mismo conjunto de baja corriente, etc. La figura 53 permite comprender la gran importancia de este tipo de acoplamiento: una corriente perturbadora en un circuito A de una decena de mA es suficiente para crear en un circuito B tensiones perturbadoras de varios voltios. El circuito de medida debería tener como referencia el punto M y no el punto A. Esto seguramente puede ser perjudicial en los aparatos electrónicos con circuitos integrados que trabajan con tensiones del mismo orden de magnitud. En baja frecuencia, es normal que el valor de la impedancia común sea extremadamente bajo. Para una red de tierra, por ejemplo, la seguridad obliga a usar unos valores mínimos de sección de los conductores de protección según el régimen de neutro. El valor de impedancia a 50 Hz entre dos puntos de la red de masa es siempre muy inferior a 1 Ω.

11.4.3. Acoplamiento cable a cable en modo diferencial o diafonía La diafonía es un tipo de acoplamiento que se parece al acoplamiento campo a cable y se denomina diafonía capacitiva o diafonía inductiva según que su origen sea una variación de la tensión o una variación de la intensidad. Una variación brusca de tensión entre un cable y un plano de masa o entre dos cables (figura 54) genera un campo que a corta distancia, con ciertas aproximaciones, puede considerarse como principalmente eléctrico. Este campo puede inducirse en otra estructura de hilos paralela. Es la diafonía capacitiva. De la misma forma, una variación de corriente en un hilo o en un cable genera un campo electromagnético que, mediante las mismas aproximaciones, se puede considerar como puramente magnético. Este campo puede entonces acoplarse formando un par

Figura 52: Acoplamiento simple

Figura 53: Esquema de impedancia común




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e inducir una tensión perturbadora. Esto es la diafonía inductiva (figura 55). De hecho, la diafonía capacitiva y la diafonía inductiva se dan desde que los conductores tienen un trazado paralelo y próximo. La diafonía puede presentarse en cualquier tubo o canaleta de cables, y más concretamente entre cables de potencia que transporten, en modo diferencial, perturbaciones AF, y los pares de hilos de una red que transporte señales digitales. Además, estas diafonías son tanto más importantes cuanto mayor sea la longitud de los cables que circulan paralelamente, cuanto menor es la separación de los cables o pares y cuanto más elevada sea la frecuencia de los fenómenos.

11.5. LA VICTIMA La víctima, en la trilogía fuente/acoplamiento/víctima, es cualquier material susceptible de ser perturbado. Se trata generalmente de un equipo que tiene una parte electrónica y que presenta una disfunción debido a la presencia de perturbaciones electromagnéticas generalmente de origen externo. Numerosas disposiciones constructivas permiten obtener, a bajo costo, materiales que tienen una buena resistencia a las perturbaciones electromagnéticas. Estas precauciones están relacionadas con:

a. el diseño de circuitos impresos (respecto a la separación funcional de circuitos, su trazado y forma de conexión), b. la elección de componentes electrónicos, c. la construcción de las carcasas o envolventes, d. la interconexión de las masas, e. el cableado.

Construcción de carcasas o envolventes: Colocar una envolvente conductora (blindaje) alrededor de equipos sensibles es una manera de protegerlos contra los campos electromagnéticos. Para que el blindaje sea eficaz, el grosor del material conductor usado debe sobrepasar el valor de absorción a las frecuencias perturbadoras consideradas. Ante una perturbación de una frecuencia muy alta o ante un campo eléctrico, se puede utilizar con eficacia un barniz conductor. Pero sólo un revestimiento hecho con un material de gran permeabilidad permite detener los campos magnéticos en BF. Interconexión de masas: En este campo, la continuidad eléctrica entre las diversas partes de la caja es extremadamente importante. Su conexión debe de hacerse con cuidado protegiendo, por ejemplo, las zonas de contacto de cualquier depósito de pintura, pero también usando trenzas anchas y cortas (para reducir al máximo la impedancia). El cableado: Igual importancia tiene el blindaje de cables, a veces llamado pantalla, que es una extensión de la envolvente conductora que se ha hecho alrededor del equipo sensible. Este blindaje del cableado ha de estar conectado a la masa de la envolvente de la forma más corta posible. Además debería envolver a los cables completamente en todo su perímetro, para la protección contra las perturbaciones de alta frecuencia. Teniendo en cuenta todas estas reglas de diseño y de fabricación se llega a conseguir que el producto o el sistema sea inmune a las perturbaciones electromagnéticas de forma suficiente y considerando el medio en el que está situado. Sin embargo, esta inmunidad no se puede validar más que de forma experimental mediante medidas que permiten cuantificar la eficacia de las diferentes situaciones.

Figura 54: Diafonía capacitiva Figura 55: Diafonía inductiva




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11.6. LA INSTALACIÓN En los estudios y en la implantación de la CEM pueden influir especialmente dos factores: la elección de los materiales y su disposición. El primer factor está relacionado a la vez con la selección de las fuentes y de las víctimas: un aparato escogido para una función dada puede ser más o menos generador de perturbaciones y/o susceptible de sufrirlas. El segundo factor, que depende directamente del primero, consiste en colocar los componentes, ya escogidos y definidos, según sus características relativas para satisfacer las necesidades de la CEM.

11.6.1. Disposición en forma de malla de los circuitos y redes de masas y de tierra Hoy en día, los equipos son sensibles a señales de muy poca energía, además contienen elementos electrónicos sensibles a las altas frecuencias y están conectados entre sí. Los acoplamientos por impedancia común pueden ser, por tanto, frecuentes. Para evitarlo, es indispensable montar una red de tierra tan equipotencial como sea posible, más concretamente, en forma de malla. Esta solución es una de las primeras protecciones que se ha de usar contra las perturbaciones. Así, en la red de una fábrica, todos los cables de protección (CP) se han de unir a las estructuras metálicas existentes. Del mismo modo, en un equipo, todas las masas y las carcasas se han de unir de la forma más corta posible con conexiones (hilos o trenzas) de bajas impedancias en AF, anchas y cortas, a una red de masa en forma de malla. El cableado de un armario eléctrico es un ejemplo tipo: todas las masas se han de interconectar. Respecto a este tema hay que señalar un cambio: el principio de masas unidas en estrella, a veces utilizada en los equipos electrónicos analógicos sensibles al «rizado de alterna de 50 Hz», ha sido actualmente abandonado a favor de las redes en forma de malla mucho más eficaces contra las perturbaciones que pueden afectar a los dispositivos digitales actuales, relés de protección y sistemas de control y mando.

11.6.2. La separación eléctrica de circuitos Esta técnica consiste en separar las fuentes de energía (habitualmente de 50 ó 60 Hz). Su objeto es evitar que un equipo sensible sufra las perturbaciones conducidas generadas por otros equipos conectados a la misma fuente de alimentación. Su principio es que un equipo sensible y un equipo perturbador tengan dos alimentaciones separadas por impedancias importantes a las frecuencias perturbadoras. Los transformadores (y no los autotransformadores) son separadores eficaces, particularmente para las bajas frecuencias: transformadores MT/BT, transformadores de aislamiento y todos los transformadores de entrada a los aparatos electrónicos actúan como limitadores de la propagación de perturbaciones por conducción. A veces, es necesario implantar un filtro separador para eliminar las perturbaciones AF. Además, si el equipo sensible necesita una alimentación de emergencia en caso de falta de red, puede alimentarse con un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI), si este SAI tiene el o los transformadores de aislamiento necesarios.

11.6.3. Cableado Los tres mecanismos de acoplamiento estarán dentro de límites tolerables si el trazado del cableado se realiza según las reglas:

a. No todos los circuitos se pueden separar los unos de los otros por razones económicas evidentes: los cables se deben reagrupar por categorías. El trazado de las diferentes categorías estará físicamente separado: en particular se agruparán los cables de potencia por un lado y los cables de bajo nivel (telefonía, control y mando) por el otro. Si el número de canaletas, bandejas de cables o regatas lo permiten, los cables de potencia, de intensidad que sobrepasa algunos amperios a 230 V, y los cableados de bajo nivel estarán en bandejas separadas. Si no, se ha de respetar una distancia mínima entre las dos categorías, del orden de una veintena de centímetros (figura 38). Entre estos dos grupos de cables se evitará cuidadosamente cualquier elemento común. Los circuitos de señal o de información (de baja intensidad) tendrán, siempre que se pueda, su propio cable de retorno (0 voltios) para evitar los acoplamientos por impedancia común. Concretamente, la mayor parte de sistemas de comunicación por bus necesitan un par de hilos estricta y exclusivamente reservado al intercambio de informaciones.

b. En todos los casos, la superficie global de cualquier bucle, es decir, la distancia entre un conductor y su retorno, debe ser mínima. Para la transmisión de datos, el retorcido de líneas permite disminuir la susceptibilidad de los acoplamientos de tipo diferencial. El empleo de pares retorcidos es preferible al de un par paralelo simple.

c. Los cables de medida y de transmisión de informaciones a bajo nivel, deben de tener, a ser posible, pantalla y, salvo deseo expreso del proveedor, esta pantalla estará unida a masa en el máximo número posible de puntos.

d. Las canaletas que hacen de soporte de la conducción de cables deben ser, en la medida de lo posible, metálicas. Estas canaletas han de estar interconectadas entre ellas con un buen contacto eléctrico, con tornillos, por ejemplo, e interconectadas con la red de malla de masa.

e. Los cables más sensibles, los de medida, por ejemplo, se ponen en un ángulo lateral, de manera que se beneficien de una mayor protección contra las radiaciones electromagnéticas. Su pantalla, si existe, estará conectada frecuentemente a la canaleta metálica.

Todas estas precauciones de cableado, muy eficaces en la prevención de problemas de la CEM, representan un costo adicional en la fase de diseño de la instalación, pero las modificaciones a una instalación que ya existe con acoplamientos electromagnéticos muy fuertes, tienen un costo mucho mayor.




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11.7. NORMATIVA DE REFERENCIA

a. IEC 61000-2-1 / IEC 61000-2-2 / IEC 61000-4 / IEC 61000-6

b. EN 55 011, CISPR 11 / EN 55 022, CISPR 22

c. NF C 15-100

Figura 56: Esquema tendido de cables en una única bandeja portacables

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