Transientes Legrand

112

I.C EL PROYECTO > LOS PRINCIPIOS DE LA PROTECCIÓN

LA ESTIMACION DE RIESGOS Y LASCONSECUENCIAS

1

Protección contra el rayoPor naturaleza, energético e inesperado, el choque de rayo tiene a menudoconsecuencias dramáticas para las instalaciones eléctricas.Y aunque los métodos no son completamente infalibles, la evaluación de los riesgosy de sus consecuencias es indispensable.

Los pararrayos, contra los efectos directos,y los limitadores de sobretensión contralos efectos indirectos estos ofrecen unaprotección eficaz si son elegidosjuiciosamente y han sido instaladoscorrectamente; planteamiento que debepasar cuanto antes por una consideraciónde la concepción para integrar lasexigencias: longitudes de líneas, tomasa tierra, redes equi-potenciales...

Preliminar a la instalación de dispositivosde protección contra el rayo, laestimación del riesgo se basa en elanálisis de varios criterios:

- La probabilidad de fulminación de lazona- El método de propagación del choquede rayo- La topografía del lugar- La naturaleza de los materiales quedeben protegerse y su sensibilidad propia- El costo de las consecuencias de la nodisponibilidad de los equipos.

La instalación de pararrayos de punta corre el riesgode aumentar los efectos indirectos: debeacompañarse, entre otros, de la instalación depararrayos de línea.

La guía Española UTE C 15-443 (julio de 1996) encurso de revisión, proponía un método deevaluación del riesgo basado en una fórmulaempírica de cálculo que permitía determinar elfactor F de exposición al riesgo: F = Ng (1 + 2 BT + HTA +δ)

Ng: densidad de fulminación localBT: longitud de la línea aérea que abastece lainstalación en km (más allá de 0,5 km, BT = 0,5)HTA: factor vinculado al tipo de red que abasteceel puesto. Tomar 1 aérea , 0 subterráneaδ: coeficiente que tiene en cuenta la situación dela línea aérea y la de los edificios de valor 0 a 1.

Un segundo factor G vinculado a lasconsecuencias es calculado por la fórmula: G = S + M + I

S: factor (de 1 a 3) a vinculado a la sensibilidaddel materialM: factor (de 1 a 3) a vinculado al precio delmaterialI: factor (de 1 a 3) a vinculado al costo de la no-disponibilidad de los equipos.

En función de los valores calculados de F y G laguía recomienda la instalación o no de unlimitador de sobretensión. Si son necesarios, sucapacidad (corrientes de descarga) se determinasegún el valor de F. Para las instalaciones decomunicación, un análisis complementario segúnel Anexo A1 de la misma guía puede efectuarse.El factor de exposición al riesgo, aquí nombradoH, reanuda el valor del factor F anteriormentedeterminado al cual se aplican algunasponderaciones en función de la situación de lalínea aérea y la resistencia del suelo. Se calculaun factor G de consecuencias según los mismoscriterios.

113

I.C.4 / PROTECCION CONTRA EL RAYOLA ESTIMACIÓN DEL RIESGO Y DE LAS CONSECUENCIAS

Por principio, si se aconseja un limitador de sobretensión sobre laalimentación en energía, se aconseja él disponer también en las líneasde comunicación.

Basada en un enfoque simple y realista,el planteamiento Legrand descrito acontinuación permite determinarfácilmente el nivel de protección quedebe preverse a la cabeza de lainstalación.Este nivel de protección se califica de:- estándar («)- elevado (««)- muy elevado («««)

Se determina según 2 criterios:- el nivel de exposición del lugar (consultaral servicio de metereología más cercano)- la situación de la instalación:- situación del edificio- naturaleza de la red de alimentación- presencia de un limitador desobretensión de puntaEl planteamiento descrito sólo se refierea la protección en el origen de lainstalación.

Protecciones complementarias puedenresultar necesarias en función de suamplitud (longitudes de línea) y lasensibilidad de los materiales que debenprotegerse (informática, electrónica...)En el caso donde se instalan varioslimitador de sobrete, se recomiendanalgunas normas muy precisas decoordinación que deben ser aplicadas(ver página 127)

Niveles de protección que deben preverse a la cabeza de una instalación

Aunque la presencia de un limitador de sobretensión no se recomienda expresamente, el costo de su instalaciónsería, en todos los casos, muy inferiores al de los daños que generarían un posible choque de rayo.

La elección debe hacerse según el criterio más vinculante, el que preconiza el nivel de protección más elevado.

Situación de Densidad de fulminaciónla instalación 1 choque/2 km2/año 2 choques/2 km2/año 4 choques/2 km2/año

Situación del edificioConstrucción densa « ««Construcción dispersa « «« ««Construcción aislada « «« «««en montaña, cerca deun plano de agua osobre una punta «« ««« «««

Red de alimentaciónAérea « «« «««Subterránea « ««

Presencia de un pararrayos ««« ««« «««

«

«

«

114


El modelo electrogeométrico

1

D

D

D

Zone protegida

LA PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS DIRECTOS2

Después de la evaluación del riesgo defulminación y sus posibles consecuenciasen términos económicos, la elección delos dispositivos de captura del rayo(pararrayos) va a requerir un estudio deimplantación consustancial a cada lugar.En este enfoque, el objetivo serácomprobar que el rayo tenderápreferencial "a caer" sobre puntosprecisos y predeterminados y no sobreotras partes de los edificios u obras.Para esto, se uti l iza un métododenominado "electro geométrico" quedefine la zona esférica "teóricamente"protegida por un pararrayos en funciónde la intensidad de la corriente dedescarga del 1er arco. Cuanto máselevada es esta corriente, más probablees la captura y más amplia es la zonaprotegida.

Se considera que la punta de latraza líneas (o cursor)representa el centro de unaesfera ficticia, de radio D. Estaesfera se acompaña la marchaaleatoria del traza líneas.El enfoque del primer elementoen contacto con esta esferadeterminará el punto deimpacto del rayo: un árbol, untecho, el suelo o un pararrayossi está dispuesto uno.Más allá de los puntos detangencia de esta esfera, laprotección ya no estágarantizada por el pararrayos.

Principio general del modelo electro geométrico

El rayo teórico (D) de la esfera esdefinido por la relación:D = 10 x I2/3 con D en metros e I en kA

D (m) 15 29 46 96 135 215 I (kA) 2 5 10 30 50 100

Para una protección óptima que integra los valores probables de corrientesde rayo más escasas (nivel de protección I), se considera una esfera de 20m (I = 2,8 kA).

El modelo electro geométrico debe adaptarse en función del dispositivode protección: pararrayos de tronco simple, jaula enmallada, hilo tensocuyos volúmenes protegidos se definen en la norma Francesa NF C 17-100 (CEI 61024-1). Ésta define cuatro niveles de protección en función dela probabilidad de captura.

Para los pararrayos activos con dispositivo de cebo, es necesarioreportarse a las documentaciones de los fabricantes así como a la normaNF C 17-102 (Francia).

Niveles de protección según NFC 17-100 (Francia)

Nivel I II III IVProbabilidades decaptura (%) 98 95 90 80Corriente mini de captura (kA) 2,8 5,2 9,5 14,7Distancia de cebo máximo D (m) 20 30 45 60

115

I.C.4 / PROTECCION CONTRA EL RAYOLA PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS DIRECTOS

Punta delpararrayos

Conductor dependiente

Toma atierra

La eficacia del tronco simplees elevada sobre los golpes derayo importantes, pero selimita sobre los edificios degran altura que puedenfulminarse lateralmente.Una protección complemen-taria por cintura metálicapuede ser necesaria.

Tienen por objetivo proteger las obrascontra los golpes de rayo directos. Alcapturar el rayo y al pasar a la tierra lacorriente de descarga de ésta, evitan losdaños vinculados al impacto mismo delrayo y a la circulación de la corrienteasociada.

Los pararrayos se clasifican en cuatrocategorías.- Los pararrayos de tronco simple (o deFranklin) están constituidos por una punta,de uno (o de varios) conductores dependiente y de una toma a tierra.

- Los pararrayos con dispositivo de ceboRepresentan una evolución del troncosimple. Se equipan con un dispositivo decebo que crea un campo eléctrico en supunta que favorece la captura del rayo yque mejora su eficacia.Varios pararrayos pueden instalarse sobreuna misma estructura. Éstos debenentonces ser interconectados así comosus tomas a tierra.

- Los pararrayos de jaula enmallada.La jaula enmallada está constituida poruna red de conductores dispuestos fueradel edificio para circunscribircompletamente su volumen. Esta redpuede completarse de troncos de captura(0,3 a 0,5 m de altura) regularmentedispuestos sobre los puntos destacadosdel edificio (cimas, canales...).El conjunto de los conductoresinterconectados se conecta a la red detomas a tierra (fondo de excavación) porvarios conductores de pendiente.El nivel de protección es definido por el

Los pararrayos de punta2

tamaño de las mallas. Por ejemplo, paraun nivel de protección I (esfera de radioD = 20 m) la malla no debe superar 5m.

- Los pararrayos de hilos tensos.Este sistema se utiliza en las partes dealgunos edificios, zonas dealmacenamiento exteriores, líneaseléctricas (hilo de guardia)...El modelo electro geométrico de la esferaes aplicable.

Completan las disposiciones de dimensión de la malla de los edificios contralos campos electromagnéticos irradiados a los cuales deben interconectarse(véase equipotencialidad de nivel 4 página 94)

Los pararrayos de jaula enmallada

En presencia de un pararrayos, un pararrayos de tipo 1 debe instalarse ala cabeza de la instalación. Puede ser sustituido por pararrayos de tipo 2instalados en el origen de cada una de las instalaciones derivadas, en elmismo edificio (edificio de apartamentos)

116


El plan de protección: lassuperficies de captura

3

Cuando el lugar que debe protegerseestá constituido por varios edificios o quesu amplitud no puede estar cubierta porun único disposit ivo de captura(pararrayos), es necesario establecer unplan de protección de los lugaresyuxtaponiendo las distintas superficies decaptura teóricas.La cobertura total de un lugar sigue siendodifícil si éste está constituido por obrasde alturas diferentes.El plan de protección superpuesto a laimplantación de los lugares permiteimaginar las zonas no cubiertas, perosobre todo debe ayudar a una verdaderareflexión que integra:- La probabilidad de fulminación por ladeterminación de los puntos de impactosprivilegiados (vueltas, chimeneas,antenas, farolas, mates...)- La sensibilidad de los equipamientosalbergados por los edificios (comuni-caciones, informáticas, autómatas...)- El riesgo potencial vinculado a laactividad o a la naturaleza de losmateriales almacenados (incendio,explosión...)Por último, no se olvidará que lasconexiones múltiples entre los edificios(redes informáticas, tele vigilancia,comunicaciones, alarmas, y energía)pueden convertirse en vectores de

perturbaciones bajo el efecto del campoelectromagnético del rayo o bajo el delgradiente de potencial generado en elsuelo.Las protecciones de estas conexionespueden ser de dos órdenes:- el blindaje o faradización que va,además de la protección contra los

campos, esencialmente a consistir enmantener la equipotencialidad de laconexión (conductor de masa unido,trenzado, pantalla conductora...)- el desacoplamiento galvánico que vaa separar eléctricamente los edificios(auto acopladores, fibras ópticas,transformadores de separación...).

En este sitio (ficticio) se constata que las zonas sensibles: fabricación,almacenamiento, tratamientos... fueron protegidos efectivamente porpararrayos o por jaula enmallada y que dos zonas no lo fueron, ya que seconsideraron de escaso riesgo: la recepción y el estacionamiento. Una reflexiónmás a continuación pone de manifiesto que los faroles luminosos delestacionamiento pueden fulminarse y transmitir el choque de rayo a lainstalación y que la recepción que alberga el auto conmutador telefónico y laantena de búsqueda de las personas (BIP) representa una zona a la vezvulnerable y sensible.La estación de bombeo se encuentra teóricamente protegida por los pararrayosde los silos que es mucho más alta. Una situación que sólo debe no hacer olvidaren este caso, que la fulminación lateral es posible.

El plan de protección debeconsiderar los edificios y lasobras que deben protegersecontra los choques directosdel rayo, pero debe tambiéntener en cuenta los elementoso las zonas no construidascuya fulminación puedeinducir efectos destructivos.

Tratamientoefluentes

Recepción

Autocom

Antena

Muelles

Almacenamiento

Fabricación

Estacionamiento

Bombeo

SiloSilo

Chimenea

Faroles

117

I.C.4 / PROTECCION CONTRA EL RAYOLA PROTECCION CONTRA LOS EFECTOS DIRECTOS

Los conductores dependientes

4

Pararrayos

Conductor dependiente

Conduits y circuitos conductores

Cebo

Red de masa interna

Conductora de unión equipotencial

Conexión equipotencial general

Terminal principal de tierralongitud l

Garantizan la conexión entre el propiopararrayos (tronco, jaula, hilo) y la tomaa tierra.Son sometidos a corrientes intensas y porlo tanto deben ser de sección suficiente,de forma plana, y seguir el recorrido máscorto posible. No deben presentar, niaumento, ni codos vivos. Los conductorespueden ser equipados de contadores dechoques de rayo.

Interconexión de los conductores de pendiente con las redesde masa de los edificios.

En los edificios que son de varios pisos, se recomienda conectar al (o los)conductor (es) de pendiente del pararrayos a las redes de masa de cadapiso. Si esto no se hace, la diferencia de potencial que aparece entre elconductor de pendiente y las masas internas podría producir un cebo através de las paredes del edificio.En efecto, la circulación de la corriente de rayo HF corre el riesgo degenerar una muy importante subida en potencial del conductor dependiente (varios centenares de kV) a causa del aumento de suimpedancia en alta frecuencia (ver página 142).

Se aconseja multiplicar losconductores de pendiente conel fin de disminuir lascorrientes en cada uno ellosy los efectos térmicos,electrodinámicos inductivosasociados. Las pendientesdeben conseguir un circuitode tierra enmallado yequipotencial.

Toma a tierra de pararrayos

Las consecuencias en la instalación de los efectos inducidos por lacirculación de la corriente de rayo en los conductores de pendiente puedenminimizarse:- multiplicando el número de pendientes con el fin de dividir la corrientey limitar sus efectos inducidos- garantizando la interconexión de los conductores de pendiente con lasredes de masas a todos los niveles del edificio- constituyendo redes de masa equipotenciales que integranverdaderamente todos los elementos conductores incluso los inaccesibles:conductos de fluidos, circuitos de protección, refuerzos del hormigón,estructuras metálicas... ver página 90- evitando colocar los conductores de pendiente cerca de locales o aparatossensibles (informático, telecomunicación...)

118


La red de tierra5

Impedancia de la toma de tierraZ (Ω)

Estanca

Estrella a 2 brazos

Pata de ganso

10

100

105 106 f (Hz)

Constituye un elemento esencial de la protección contra el rayo:por una parte, todas las masas, ellas mismas interconectadas,deben ser conectadas; por otra parte, deben estar encondiciones de pasar la corriente de rayo evitando la subidade potencial de la propia red de tierra y del suelo circundante.Aunque deba ser suficientemente escaso (< 10Ω), el valor dela resistencia en baja frecuencia de la toma a tierra importamenos que su forma y su dimensión en lo que se refiere a laconducción de la corriente de rayo de alta frecuencia.Generalmente, cada pendiente debe conseguir una toma atierra que puede estar constituida por conductores (tres comomínimo) dispuestos como patas de ganso ocultos al menos a0,5 m de profundidad o por estacas de tierra, dispuestaspreferiblemente en triángulo. Las modalidades y longitudes deconductores ocultos se definen en la norma NFC 17-100(Francia).

Interés de la consideración de la proteccióncontra el rayo a partirdesde su concepción

Puede ser difícil reconciliar la implantación óptimadel pararrayos, la circulación del conductor dependiente y su conexión a la red de tierra. De ahí laimportancia de una consideración de la protecciónante el rayo desde el principio del proyecto.

Instalación en la construcción

Las pendientes de los pararrayos se conectandirectamente al cierre de fondo de la excavación.Patas de ganso en los puntos de unión mejoran laimpedancia en alta frecuencia.

Instalación posterior

La inaccesibilidad al cierre de fondo de excavaciónimplica la realización de interconexiones difíciles ygran longitud.

La red de tierra debe ser única.Deben prohibirse circuitos distintos eindependientes (informático, pendiente depararrayos) lo que no excluye tomas a tierra(electrodos) múltiples si están muy inter-conectadas.

Las tomas a tierra se conciben generalmente para pasar las corrientes dedefecto en baja frecuencia. La resistencia de los conductores ocultos, inclusosi son de gran longitud es desdeñable ante la resistencia de la toma a tierra(algún mili ohms a comparar a algunos ohmios).Entonces de un choque de rayo, la corriente que debe pasarse es de naturalezaHF (> 1 MHz) y la impedancia de la toma a tierra implica entonces uncomponente inductivo preponderante. Para limitar este efecto, la geometríade la toma a tierra debe adaptarse: la experiencia pone de manifiesto que lapata de ganso es la mejor disposición.Como por los conductores de pendiente, uniones y conexiones debenefectuarse con conductores planos.

Terminal principal de tierra

Cierre de fondode excavación

Pararrayos

Cierre de fondode excavacióninaccesible

Terminal principalde tierra

Interconexionesentre lastomas a tierra

119

I.C.4 / PROTECCION CONTRA EL RAYOLA PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS INDIRECTOS

LA PROTECCION CONTRA LOS EFECTOS INDIRECTOS3

Principios generales1

El principio de la protección contra losefectos indirectos del rayo consiste enimpedir que la energía perturbadora, oincluso destructiva, puede alcanzar losaparatos y equipos. Para ello, trescondiciones son necesarias.- limitar la subida de potencial de lainstalación derivando la corriente haciael potencial de referencia bajo (red demasa y tierra), es el papel de lospararrayos- evitar la aparición de sobre tensionespeligrosas entre los aparatos mismos yentre los circuitos de protección y lasdistintas masas metálicas, es el papel dela red de masas equipotencial- minimizar los efectos de induccióndebidos a los campos generados por elpropio impacto del rayo y por losconductores de pendiente de lospararrayos en todos los cierresconductores (líneas eléctricas de energíay comunicaciones) y también estructurasde los edificios; es la localización

Se designa por efectos indirectos, lasconsecuencias de un choque de rayo quepuede haber tenido lugar sobre la propiaobra, y también a la distancia o en laslíneas a las cuales se conecta.Se considera que la corriente de rayo ysus efectos pueden alcanzar la instalaciónpor tres métodos de acceso:- todas las líneas eléctricas (energía,telecomunicaciones, televisión...)entrando o saliendo del edificio- el suelo, a raíz de su subida depotencial, mediante las masas, la red detierra y los conductores de protección,- todos los cierres conductores (estructurasdel edificio...), redes internas (energía,telecomunicación...) que pueden ser lasede de tensiones inducidas bajo elefecto del campo magnético generadopor la corriente de rayo.

pertinente de los equipos y de sucableado lo que permite limitar lastensiones inducidas.Cualquiera sea el método de acceso, laenergía del choque del rayo va atraducirse en una señal impulsadacaracterística de tensión y corriente cuyosvalores serán en función incluso de laestructura de la instalación y del sitio encuestión. La elección de los niveles depruebas se establece a partir de estascondiciones.El choque de rayo entregado por ungenerador especial, llamado híbrido,generalmente está simulado por unaseñal combinada o compuesta, detensión 1,2/50 µs y de corriente 8/20µs (pararrayos de tipo 2) según ladefinición de la norma internacional CEI60060-1.La 1° cifra designa el tiempo de subida(duración del frente) y la segunda calculael tiempo de bajada de la señal a lamitad de su valor (véase página 53).

Ondas de corriente 10/350 sonuti l izadas por los l imitadores desobretensión muy a alta energía (tipo 1)o bien se aplica una onda de tensión10/700 (CCITT) para las líneas y losaccesos de los circuitos detelecomunicación a larga distancia.

120


La elección de poner una protección por limitadores de sobretensión, debe basarse en la adecuación entre el valorpotencial de la tensión de choque y el valor de la sobre tensión que debe superarse para la clase de instalación.La tensión de choque definida por la norma internacional CEI60664-1 es en función de la tensión de alimentación ydel sitio en la instalación en cuestión.

(1)designa en situación controlada, una instalación donde las sobre tensiones transitorias son reducidas (> Uimp) por una protección enla propia línea o al origen de la instalación (ejemplo: red aérea protegida).(2) La situación natural se considera para las instalaciones donde el riesgo esnaturalmente escaso. La protección pararrayos generalmente no se juzga necesaria (ejemplo: red enteramente subterránea). Valoresmás bajos (valores no normalizados) del comportamiento de los aparatos pueden aceptarse en esta situación(NF C 15-100 capítulo 443-3).

La clase de instalación (5 clases) es definida por la norma internacional CEI 61000-4-5.Los equipos deben haber sido calificados para las tensiones de choques que corresponden a sus condiciones deinstalación.

(1) 6 kV aconsejada

Clasificación según la marca CEI 61000-4-5

Clase Tensión de Condición de instalaciónchoque máximo

0 25 V Bien protegidos: se equipa a todos los conductores de llegada de pararrayos. Los materialesse conectan a una red de masa poco influida sobre por las perturbaciones. El materialelectrónico está dotado con su propia alimentación. En general, sala o instalación especial.

1 500 V Parcialmente protegidas: condiciones similares a la clase 0 pero dónde maniobras deconmutación pueden producir sobre tensiones.

2 1 kV De cableado separado: la alimentación eléctrica se separa bien de los otros circuitos. La redde masa de los circuitos de energía se someten a las perturbaciones de la instalación o elrayo.

3 2 kV De cableado común: los cursos de los conductores de energía y señales son paralelos. Elmaterial electrónico protegido y el material eléctrico se conectan a la misma red dealimentación. La red de masa se somete a perturbaciones importantes.

4 4 kV De interconexión por cables exteriores y cableado común entre conductores de energía yseñales. La instalación se conecta a la red de masa del circuito de energía. La red dealimentación es común a todos los circuitos.

5 4 kV (1) De conexión en líneas aéreas. El material eléctrico y electrónico se somete a las perturbacionesde las líneas pero éstas se proporcionan de una protección primaria. No existe red de masao dispositivo conveniente de puesta a tierra.

X x kV Condiciones específicas que deben definirse.

Valores prescritos de comportamiento a los choques para los materiales en red 230/400 V

Categoría en Situación en Tipo y características Uimp (kV)sobre tensión la instalación de los materiales Situación Situación

controlada(1) natural (2)

IV Orígenes/conexión Materiales instalados aguas arriba del tablero de distribución:contadores, 6 4 medidores, cortacircuitos y cortacircuitos de cabeza (AGCP)...

III Distribución/repartición Materiales que pertenecen a la instalación fija: equipo, cortacircuitos, tomas corriente, canalizaciones, cajas de enchufes, 2,5 o materiales de uso industrial conectados a residencia: motores, hornos...

II Cargas/aparatos Materiales de utilización destinados a conectarse: herramientas y aparatos 2,5 1,5 domésticos

I Especiales/protegidos Materiales sensibles de comportamiento reducido implica circuitos electrónicos. 1,5 0,8 Una protección próxima o integrada puede ser deseable

121

I.C.4 / PROTECCIÓN CONTRA EL RAYO

La protección pasiva2

La inmunidad a los choques de rayodeclarado de un componente nogarantiza la del equipo al cual se integray no supone de sus condicionesinstalación.Por lo tanto, es indispensable una visiónglobal.

El riesgo vinculado a los efectos indirectos del rayono es nunca completamente nulo. El costo excesivode las protecciones, y las pérdidas potenciales, esdesdeñable y reembolsado al 1er accidente. Perolos pararrayos no son una panacea si se ponen enuna instalación mal concebida.La mejor protección pasará por las precaucionestomadas en la estructura y la puesta en marcha deésta (protección pasiva).

Los términos de estructura y puesta en marcha de la instalacióndesignan:- la equipotencialidad que es realizada por la red de masa ycuyos cinco niveles se proponen (véase página 90),- la separación eléctrica de las alimentaciones entre los circuitosllamados "sensibles" y los circuitos de potencia (véase página95).- La separación geométrica de los circuitos destinada a limitarlos acoplamientos por diafonía entre los conductores de estoscircuitos (véase página 96).Nota: la existencia de cierres de acoplamiento sensibles alcampo electromagnético generado por el rayo revela aspectosdimensionales (superficie del cierre sujeto al campo) ygeométrica (curso de los conductores) y debe distinguirse delconcepto de distancia de cohabitación entre los propiosconductores (distancia de separación).- los esquemas de conexión a tierra (o regímenes de neutro)cuyo tipo tiene una influencia sobre el comportamiento de lainstalación (véase página 195) y por consiguiente sobre laelección de los pararrayos.

Red de masa o toma a tierra

La normalización utiliza el término de dispositivo de puesta a tierra para designar, sin distinguirlos, a la vez losconceptos de redes equipotenciales y toma de tierra.Contrariamente a los prejuicios, el valor de la toma de tierra no tiene una influencia significativa para la protecciónpararrayos. Es incluso posible establecer tal protección en su ausencia (véase página 195). En la práctica, no sepuede impedir la subida local del potencial del suelo al cual se conecta la toma de tierra. En efecto, su impedanciatiende mucho a aumentar bajo el efecto de la corriente de choque de rayo (forma de onda con impulso y elevadafrecuencia).Es pues a la red de masa que corresponderá mantener un potencial de referencia bajo, sensiblementeequipotencial sobre toda la amplitud de la instalación y es a esta red que será necesario conectar los pararrayos(ver página 198).

=

Nivel de riesgo categoríade sobre tensión

Protección pasiva: estructurae instalación

Nivel de protecciónde los materiales y

equipos (inmunidad a lastensiones de choque)

Protección activa: pararrayos

+ +

LA PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS INDIRECTOS

122


El campo electromagnético irradiado

La corriente de descarga del rayo por impacto directo o transportado por el conductor de pendiente de un pararrayosgenera un campo cuyos componentes eléctricos y magnéticos alcanzan valores considerables: varios kV/m y variasdecenas de micro teslas (µT).Todos los conductores reciben estas radiaciones, formando una antena más o menos adaptada, que se conviertenen la sede de corrientes inducidas. Es sobre todo sobre los conductores que materializan cierres de gran superficie(véase página 59) que el efecto de la inducción magnética (campo H) es preponderante.

El campo generado por la corriente i (varios kA) en la pendiente del pararrayos se acopló sobre el cierre formadopor los conductores en el edificio generando una tensión V de varios kV.Este reducido fenómeno, se produce también para un impacto distante, incluso a varios centenares de metros.Como ejemplo una corriente de rayo de 10 kA a 100 m generará una sobre tensión de 600 V en un cierre de 30 m2.La misma corriente de rayo en la pendiente de pararrayos (situada a 3 m) generará una sobre tensión superior a 15kV.En el 1er caso, la sobre tensión puede absorberse sin demasiados daños, en el segundo será indudablementedestructiva.Ésta es la ilustración que muestra la presencia de un pararrayos sólo es posible si se instalan algunos pararrayosen la instalación.

Acoplamiento inductivo de un únicoconductor sobre un cierre: la tensión Vvale:V = M x di dtM es un coeficiente que caracteriza elacoplamiento en función de las distanciasL1 y L2, de la superficie del cierre y lapermeabilidad magnética del medio. Enla práctica, se considera que el plan delcierre está ortogonal a la corriente i (porlo tanto L1 = L2) y que la distancia esgrande con relación a la dimensión delcierre.

U

H

U

L1

L2

i

V

Cierre deacoplamiento

2,5m

12m 3m

100m

i

123

I.C.4 / PROTECCIÓN CONTRA EL RAYOLA PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS INDIRECTOS

Principio de la protecciónpor rayos

3

Receptor

UimpUp

Clase de instalación de los equipos (tensión de choque de rayo)

Régimen de neutro

Amplitud de la instalación (cierres)

Separación geométrica de los circuitos

Separación de la alimentación de los circuitos sensibles

Nivel de equipotencialidad

5 (6 kV ) 4 (4 kV) 3 (2 kV) 2 (1 kV) 1 8500V) 0 (25 V)

TT IT TN

enorme (lugar) gran (edificio) Pequeña (casa)

no separados (acoplamiento) separados blindados (poco acoplamiento)

misma alimentación alimentación separada fuente separada

0 1 2 3 4malla totalconductores de protección conductores de masa conexiones equipotenciales malla isla

La tensión de impulso Uimp, debida alchoque de rayo, corre el riesgo depropagarse en una instalación con susefectos destructivos.El limitador de sobretensión va entoncesa comportarse como un verdaderocortocircuito para la mayor parte de laenergía sobre la red de masaequipotencial. La toma a tierra va a llevarde inmediato el potencial a 0V con undecalage temporal debido a suimpedancia. Para tener eficacia, ellimitador de sobretensión debe serconectado con los conductores máscortos posible (como para un cortocircuito

voluntario).En efecto, la corriente de descarga, dealta frecuencia, es rápidamente reducidapor la impedancia de los conductoresinsertos en el circuito del pararrayos.En la práctica, se recomienda que lalongitud total del circuito limitador desobretensión no exceda 0,5 m. Unaexigencia no siempre fácil de cumplir,pero que el uso de las masas disponiblesen proximidad ayudan a satisfacer.

La protección pasivaLógica de configuración: estructura y puesta en marcha de la instalación

La protección pasiva es definida por conceptos independientes cuyo valor, para algunas, es cualitativo y difícilde apreciar con precisión: alcance de la instalación, separación de los circuitos, nivel de equipotencialidad. Ellógico grama siguiente debe pues leerse como un indicador del nivel de la protección pasiva:- buena cuando un máximo de criterios está en la zona verde,- mala cuando una mayoría está en rojo,- y media en los casos intermedios (niveles anaranjados o niveles verdes y rojos presentes juntos, por ejemplorégimen TN para un lugar enorme).

124


UI1

Ud

UI2Lt

UI3

Up

Utreceptor

Norma de los 0,5 m

En teoría, en un choque de rayo, la tensión Ut aplicada al receptor es igual a la tensión de protección Up del limitadorde sobretensión (por su I max) pero en la práctica ésta es más elevada.En efecto, debemos añadir, las caídas de tensión debidas a las impedancias de los conductores de conexión dellimitador de sobretensión y de su dispositivo de protección:

Ut = UI1 + Ud + UI2 +Up +UI3

Como ejemplo, la caída de tensión en 1 m de conductor recorrido por unacorriente a impulso de 10 kA durante 10 µs alcanzará 1.000 V

∆u = Lx

di: variación de corriente 10000 Adt: variación de tiempo 10 µsL: inductancia de 1m de conductor = 1 microhenryValor ∆u que debe añadirse a la tensión Up

La longitud total Lt debe ser la más corta posible; en la práctica serecomienda no sobrepasar 0,5 m.En caso de dificultad, la utilización de conductores amplios y planos (trenzas aisladas, barras flexibles aisladas)puede resultar útil (ver página 142).

didt

Capacidad del pararrayos Sección (mm2)

estándar: Imax 15 kA 6

elevada: Imax 40 kA 10

alta: Imax 70 kA 16

Sección mínima de los conductoresde conexión de los pararrayos Contrariamente a los prejuicios, no es indispensable conectar el

limitador de sobretensión al terminal principal de tierra cuando estádemasiado distante. La conexión a la unión equipotencial local máscercana y la más accesible resulta más eficaz respetando la norma del0,5 m. (véase página 198 "Estructura de la red de protección").

La sección mínima recomendada de los conductores de conexión tomaen cuenta el valor máximo de la corriente de descarga y lascaracterísticas del dispositivo de protección de final de vida(disyuntores DX) (véase página 128). Es ilusorio aumentar esta secciónpara compensar una distancia de conexión demasiado grande.En alta frecuencia, el aumento de la impedancia de los conductores estádirectamente vinculado a su longitud (véase página 142).

125

I.C.4 / PROTECCIÓN CONTRA EL RAYOLA PROTECCION CONTRA LOS EFECTOS INDIRECTOS

Limitador de sobretensión de alta capacidad(40 kA), a la cabeza de un armario deautomatismo industrial: la placa llena demontaje (acero galvanizado) garantiza laconexión equipotencial y la conexión a tierra.

La utilización de un repartidor Lexic permiteconectar fácilmente un limitador de sobre-tensión para la protección de un grupo decircuitos.

Los elementos de los chasis, montantes yrieles, de los envolventes XL, poseen una con-ductibilidad que garantiza la continuidadequipotencial necesaria para la conexión delborne de tierra de los limitador desobretensión, aquí un modelo de altacapacidad 70 kA.

La utilización de las masas de otros envolventes que XL/XL-A o de rieles, en particular, en aluminio, para laconexión de los limitadores de sobretensión no debe hacerse sin validación previa.En caso de duda, es entonces preferible conservar un conductor de hilo para una conexión al borne o al colectorde los conductores de protección.

La utilización de las masas con fines de conexión equipotencial de loslimitadores de sobretensión debe por supuesto acompañarse deprecauciones de construcción y puesta en marcha (véase página 134).La continuidad de las masas de las dotaciones XL/XL-A fue objeto demedidas de eficacia y equivalencia de sección eléctrica (véase página 593)que permite utilizarla como conductor PE y también para la conexión delos limitadores de sobretensión. Por otra parte, se debe tener en cuentaque además de ser fácilmente accesibles y respetar la norma de los 0,5 m,las masas de las dotaciones XL/XL-A presentan una impedancia en altafrecuencia mucho más escasa (inductancia típica < 0,01 µH/m) que las deun conductor.

126


La elaboración de una buena protecciónpor limitador de sobretensión debeabsolutamente tener en cuenta la longitudde las líneas que abastecen a losreceptores que deben protegerse. Enefecto, más allá de una determinadalongitud d, la tensión aplicada al receptorpuede, por fenómeno de resonancia,superar ampliamente la tensión delimitación prevista.El riesgo de resonancia está vinculado alas características de la instalación(conductores, redes de masa) y el

Las longuitudes protegidas4 aumento de la sobre tensión potencialestá vinculada al valor de la corriente dechoque.Las normas de longitud máximaspreconizadas están incluidas pues en el

determinado empirismo el que se puedebasar en tres claves de entrada:- posición del pararrayos- constitución de la red de masa- sección de los conductores.

Algunas configuraciones de cableado pueden crear acoplamientos entre los conductores aguas arriba y aguas abajodel limitador de sobretensión favoreciendo así la propagación de la onda del rayo en la instalación.

Conductores aguas arri-ba y aguas abajo conec-tados sobre el terminaldel pararrayos con cursocomún.

Conductores conectadossobre el mismo borne perobien separados (limitadorde sobretensión decircuito).

Conductor de vuelta delborne de tierra dellimitador de sobreten-sión cercano a los con-ductores de entrada.

Conductores de conexióndel limitador de sobre-tensión separados y losmás cortos posibles(pararrayos cabeza).

A pesar de la parte absorbida por el limitador desobretensión, la corriente de rayo I residual sobreel circuito, sigue siendo a impulso. Su aumento,debido a la resonancia va a traducirse en subidasimportantes de las tensiones Ud, Uc y Urm.La tensión aplicada al receptor puede duplicarse enestas condiciones.

Más allá de una determinada longitud d, el circuito protegido por el limitador de sobretensión va a entrar en resonanciacuando inductancia y capacidad sean iguales:La impedancia del circuito se reduceentonces a su resistencia.

C: capacidad que representa la cargaLd: inductancia de la línea de alimentaciónLrm: inductancia de la red de masa

Ph

PE

PhN

PE

Ph

N

PE

N

Ph

PE

CUimp

Ld

Ud

Urm

Lrm

Uc

d

I

(L ω = - 1Cω

)

Longitud de línea máxima entre el limitador de sobretensión y el aparato que debe protegerse

(1) protección aconsejada para a punto de utilizar si la distancia es superior

Constituciónde una redde masa

conductor PE

malla/equipotencial

Sección de los conductoresdoméstica

(cable de hilo)industrial

(grandes cables)doméstica

(cable de hilo)industrial

(grandes cables)

Posición del pararrayos a la cabeza de la instalación no a la cabeza de la instalación

< 10 m 10 m 10 m (1) 20 m (1)

10 m 20 m 20 m (1) 20 m (1)

127


La coordinación de loslimitadores de sobretensión

5

A menudo se hace necesaria lainstalación de varios limitadores desobretensión cuando la distancia entreel limitador de sobretensión y el materiales demasiado grande y también cuandoel nivel de supresión del limitador desobretensión de cabeza no es suficiente,lo que sucede en cuanto se trata deproteger materiales sensibles. Para losmateriales muy sensibles, un tercer nivelllamado de proximidad, es inclusonecesario. Esta disposición de varioslimitadores de sobretensión requiere sucoordinación para que cada uno de entreellos absorba de manera óptima laenergía y limite lo más posible lapropagación del choque de rayo en lainstalación. La coordinación de loslimitadores de sobretensión es unconcepto complejo que debe ser objetode estudios y pruebas. Los fabricantesaconsejan distancias mínimas entre loslimitadores de sobretensión o lainterposición de inductancias dedesacoplamiento.

Limitadores de sobretensión primario y secundario deben coordinarsepara que la energía total que debe disiparse (E1 + E2) se distribuya sobrecada uno de ellos en función de su capacidad de flujo. La distancia d1permite desacoplar los limitadores de sobretensión evitando así que unaparte demasiado importante de la energía pase directamente al limitadorde sobretensión secundario con el riesgo de destruirlo. Una situación que,de hecho, depende de las características de cada uno de los pararrayos.Dos limitadores de sobretensión idénticos (por ejemplo Up: 2 kV e Imax:40 kA) pueden instalarse sin exigencia de distancia d1: la energía sedistribuirá por igual sobre los dos pararrayos. Pero dos limitadores desobretensión diferentes (por ejemplo Up: 2 kV/Imax: 40 kA y Up: 1 kV/Imax: 15 kA) deberán alejarse al menos 10 m para evitar que el segundolimitador de sobretensión esté demasiado exigido.

Norma empírica

En ausencia de indicación, tomar d1 (en metros) al menos igual al 1%de la diferencia entre Up1 y Up2.Por ejemplo:Up1 = 2,5 kV y Up2 = 1,4 kV ⇒ Up1- Up2 = 1100V ⇒ d1 = 11m mínimo.Up1=1,4 kV y Up2 = 1 kV ⇒ Up1- Up2 = 400V ⇒ d1 = 4m mínimo.

Coordinación de los limitadores de sobretensión

Los módulos de coordinaciónLegrand Ref. 039 62/63permiten coordinar doslimitadores de sobretensiónen un mismo tablero (hasta 63A), sin tomar en cuenta lasdistancias entre éstos.Es necesario instalar 1módulo por conductor activodel circuito que debeprotegerse

d < 2 m

módulosde coordinación

+

E1 E2

Up1

Limitador desobretensión primario

Limitador desobretensión secundario

d1Up2

128


Constitución de loslimitadores de sobretensióny del régimen de neutro

6

La instalación de limitadores de sobretensión no debe perjudicar a la continuidad de servicio, lo que sería contrarioal objetivo que se persigue. Éstos deben pues instalarse, en particular, en cabeza de instalación doméstica oasimilada en régimen TT, de acuerdo con un dispositivo diferencial retrasado modelo S.Una precaución que no debe hacer olvidar que para elevados choques de rayo (> 5 kA), el diferencial correrá elriesgo sin embargo de desconectar.

Final de vidaLos limitadores de sobretensión debenprotegerse contra los efectos térmicos ylos cortocircuitos.Después de cada golpe de rayo, lacorriente de fuga aumenta ligeramente.Con el tiempo, el componente devaristancia envejece y se recalienta.Un dispositivo de desconexión internopone el pararrayos fuera del circuito enfinal de vida; un indicador o un contactomuestra el estado de desconexión paraproceder al cambio del módulo.El valor Imax caracteriza la corriente queel limitador de sobretensión puede hacerpasar.Más allá de este valor, se destruirá conun cortocircuito.Por ésta razón, un disyuntor externo, enserie con el limitador de sobretensión,deberá instalarse según las indicaciones.Todos los limitadores de sobretensiónLegrand deben ser protegidos pordisyuntores DX 6.000 calibre 20 A paralas capacidades normales y elevadas yDx-h 10000 calibre 40 A para losmodelos de alta capacidad.

La constitución de los limitadores detensión (número y posición de losdispositivos limitadores) enfunción de losregímenes de neutro, es comúnmenteobjeto de reglas admitidas (véase cuadrosiguiente.

Es esencial verificar que los pararrayos puestos en marcha seancompatibles con el régimen de neutro. Los regímenes compatiblesestán dados por cada uno de los pararrayos Legrand.

(1) si neutro distribuido(2) ver a continuación

Sin embargo, deben tomarse precauciones ya que las condiciones de las sobretensiones de modo común (fases/neutro), pueden variar en función del sitio de laprotección en la instalación (protección primaria, secundaria o terminal) y característicaspropias de esta instalación.Así pues, la protección fases/neutro en régimen TT se justifica cuando el neutro de laparte del distribuidor se conecta a una toma de escaso valor (algunos ohmios) mientrasque la toma a tierra de la instalación es de algunas decenas de ohmios. El circuitode vuelta de la corriente corre el riesgo entonces de hacerse por el neutro de lainstalación más bien que por la tierra.La tensión U de modo diferencial, entre fase y neutro podrá crecer hasta un valorigual a la suma de las tensiones residuales de cada elemento del pararrayos, o seaal doble del nivel de protección en modo común.

Un fenómeno similar puede producirse en TN-S si los dos conductores N y PE seseparan o son mal equipotencializados. Nos arriesgamos a que la corriente tomecomo camino de vuelta al conductor de neutro en vez de tomar el conductor deprotección y la red de masa.

Presencia mínima de dispositivos limitadores de sobretensión

TT

(1)

Dispositivos limitadoresRégimen deneutro fases/tierra neutro/tierra fases/neutro

IT

TN - C

TN - S (2)

(2)

(2)

N

L1

L2

L3

5 Ω 50 Ω

Recuento

Distribuidor Instalación

U

Ph

N

129


Puede definirse un modelo teórico de protección óptimo, aplicable a todos losregímenes de neutro, aunque en los hechos, los limitadores de sobretensión asocianprácticamente siempre protección de modo común y protección de modo diferencial(excepto en modelos IT o TN-C).

La protección de la cabeza (enseñanzaprimaria) de instalación permite derivar a la redequipotencial y a la tierra la mayor parte de laenergía incidente (sobre tensión de modo comúntransportado por la red de energía)

La protección de circuito (secundario) completa laprotección anterior por coordinación y limita lassobre tensiones de método diferencial nacidas dela configuración misma de la instalación.

La protección de proximidad (terminal) garantizala supresión final de las sobre tensiones de métododiferencial, más peligrosas para los aparatos(véase página 196. aunque el terminal estéintegrado lo más a menudo posible a lospararrayos, la eficacia de una protección deMétodo común (fase/tierra y neutro/tierra) eslimitado generalmente en el ámbito terminal porla longitud de los conductores de protección.

Nivel utilizaciónNivel distribución/reparticiónProtección de cabeza

N

L3

L2

L1

Protecciónde cabeza

Protecciónde circuito

Protecciónde proximidad

La protección activaLógica de configuración: localización de los pararrayos

Un limitador de sobretensión debe siempre instalarse lo más cerca posible del material que debe protegerse,pero una protección terminal , sola, no está en condiciones de limitar suficientemente la energía.Un limitador de sobretensión colocado a la cabeza de la instalación , permite solamente derivar la mayorparte de la energía pero no protege toda la instalación y los materiales que se conectan allí.La protección de circuito , complementaria a la protección de cabeza, asegura una protección dependiente dela amplitud de la instalación y la naturaleza de los riesgos (exposición/sensibilidad de los materiales).Una protección limitador de sobretensión eficaz requiere generalmente la combinación de varios limitadoresde sobretensión.

Elección números, tipo y posición de los pararrayos página 296

Nivel de protección (ver página 113)Sensibilidad delos materiales Estandar Elevado Muy elevado

Muy sensible(informática, electrónica)

Sensible(electrodomésticos)

Poco sensible(motores, calefactores)

1 3

1

1

1 3

1 2

1

1 2 3

1 2 3

1 2

+ + + +

+ + +

+

2

31

130


Cerca del choque del rayo, una sobre tensión, llamada aumento de tierra, se propaga de la tierra hacia la red, o através de la instalación (con efectos destructivos), o por cebo de los pararrayos. En este último caso, la instalaciónse protege, pero otras instalaciones abastecidas por la misma red no lo son inevitablemente. La sobre tensión V, quese propaga, puede entonces causar cebos secundarios destructivos entre conductores activos y forma, en instalacionesmás distantes cuya tierra se hace referencia a un diferente potencial.Este tipo de fenómeno puede constatarse en las instalaciones de los edificios próximos a una iglesia cuyo campanariose fulminó.Para limitar las consecuencias de tales fenómenos siempre difíciles de prever, sería necesario:- equipar de limitadores de sobretensión todas las instalaciones abastecidas por una misma red BT- volver equipotenciales todas las redes de masa mediante tomas a tierra interconectadas. Una solución realizablesobre edificios agrupados (fábricas), pero ilusorio en el sector habitacional.Debemos tener en cuenta que el conductor neutro, regularmente puesto a tierra asegura una determinadaequipotencialidad de la red, pero ésta no se extiende a la instalación aunque las tomas a tierra estén separadas(régimen TT). Una distribución en régimen TN sería a este respecto más favorable.Agreguemos finalmente que, aunque estén protegidas naturalmente contra los efectos directos, las redes dedistribución subterráneas pueden también inducir aumentos de tierra.

La abreviatura imp (del inglés impulso) se utiliza para designar las características de impulsión de tensión Vimp y decorriente Iimp. Para los limitadores de sobretensión, se recomienda ajustarse a la norma Francesa NF C 61-740(EN 61-643-11).La sigla SPF designa de manera sintética el "Sistema de Protección Rayo" que incluye toda la instalación exterior(limitadores de sobretensión) e interior (pararrayos) que protege una obra o una estructura.

El aumento del potencial de tierra

El rayo que cae sobre un pararrayos o incluso directamente sobre el suelo, causa un aumento local del potencial detierra. Éste se propaga entonces a las instalaciones vecinas mediante sus tomas a tierra y sus redes de masa, y a lasinstalaciones más distantes mediante la red de distribución.

Cebosecundario

Aumentode tierra

Subida de potencial local de la tierra

V

Instalación Instalación

Instalación

131


Si las instalaciones eléctricas se refieren a una red de masa conectada auna tierra local, las instalaciones telefónicas generalmente se refieren auna "tierra alejada" cuyo potencial no está influenciado por el de la "tierraeléctrica".Entonces de un choque de rayo, aparecerá una sobre tensión entre lasmasas de la instalación y la línea telefónica, con peligro para el usuariodel teléfono. El riesgo existe en cualquier parte que sea fulminada la red,telefónica o la de energía.La solución consiste en los casos extremos en separar galvánicamente lared de teléfono o simplemente instalar pararrayos específicos cuyosbornes de tierra deben estar bien conectados a la red de masa de lainstalación.

La separación eléctrica de los circuitos sensibles

Los transformadores de separación de circuito permiten aislar galvánicamentelos circuitos sensibles en una gama de frecuencia bastante bajo (≤ 100 kHz)para los modelos sin pantalla, y hasta frecuencias más elevadas (1 a 30 MHz)para los modelos con pantalla.

Atención: la protección por separación eléctrica no debe conectar lasmasas del circuito separado de un conductor de protección (véase página86).Se dan algunos ejemplos de resultados de atenuación de lostransformadores (página 96).

Transformadores de comando y deseparación de circuitos con pantalla

el transformador debecolocarse lo más cercaposible del aparato quedebe protegerse.

Los pararrayos Legrand Ref. 038.28 paralíneas analógicas y Ref. 038 29 para líneasnuméricas son muy indicados para lasaplicaciones telefónicas (a pedido)

TIerra alejada

Primario Pantalla Secundario Carga sensible

Transientes Legrand

Documents

Transcript of Transientes Legrand