PROTECCIÓN INTEGRAL CONTRA RAYOS Y SOBRETENSIONES EJ EJEM EMPL PLO O PR Á CTICO EJEMPLO A u t o r : In Au Ing g . Lu L u i s Gi Gill L ó p ez
1 Introducci ó n Las tormentas eléctricas son fenómenos naturales que no pueden evitarse, los rayos impactan las edificaciones, los servicios que entran a las mismas, y la tierra cercana a unos y otros. También en las instalacione instal acioness se induc inducen en sobretens sobretensiones iones origin originadas adas por por maniobras en los sistemas eléctricos tanto dentro de la propia instalación como provenientes del exterior. De aquíí sur aqu surge ge la nec necesi esidad dad de pro proteg tegers erse e cont contra ra tod todos os estos fenómenos.
La necesidad de la protección, la selección de las medidas de protección más adecuadas y los beneficios económicos de las medidas de protección adoptadas deben determinarse en función del análisis del riesgo. En edificaciones existentes, que es el caso que nos ocupa, las medidas de protección seleccionadas deben tomar en cuenta las características y condiciones de la construcción, y las de los sistemas eléctricos y electrónicos existentes.
Importancia de la evaluación del riesgo Todo diseño que se haga de un sistema de protección contra el rayo debe estar basado en la evaluación del riesgo, esta: • Pe Perm rmitite e ev eval alua uarr si si es ne nece cesa sari rio o pr prot oteg eger erse se;; • Si hay hay que proteg protegerse, erse, permi permite te entonces entonces conoce conocerr cuales son las medidas de protección más adecuadas a la instalación o al servicio en cuestión; • Permi Permite te evaluar evaluar los benefic beneficios ios económi económicos cos de las medidas de protección seleccionadas, por comparación de los costos de las pérdidas económicas con o sin las medidas de protección adoptadas.
El análisis del riesgo se desarrollará sobre la base del documento 81/241A/CDV, el cual constituye el proyecto de norma de la IEC CDV 62305-2 Ed. 1.
2 An álisis del Riesgo Fuente de daño La corriente del rayo es la primera fuente de daño; las siguientes fuentes se diferencian según el punto de impacto del rayo (vea la Tabla que se muestra más adelante): • S1: Impacto a la estructura, • S2: Impacto cercano a la estructura, • S3: Impacto a un servicio, • S4: Impacto cercano a un servicio.
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Tipos de daño Los daños que puede causar el rayo dependen de las características del objeto a proteger como son el tipo de construcción, contenido y aplicación, tipos de servicios y las medidas de protección aplicadas. Para el análisis del riesgo se distinguen tres tipos básicos de daños: • D1: Lesiones a los seres vivos, • D2: Daños físicos, • D3: Fallas de los sistemas eléctricos y electrónicos. IEC CDV 62305-2 Ed. 1
Tipos de pérdidas Cada tipo de daño, solo o en combinación con otros, puede producir una pérdida consecuente diferente en el objeto a proteger. Las pérdidas que pueden aparecer en una edificación son: • L1: Pérdidas de vidas humanas, • L2: Pérdidas de servicios públicos, • L3: Pérdidas del patrimonio cultural, • L4: Pérdidas de valores económicos (por la edificación y su contenido, por pérdidas relacionadas con la actividad productiva). IEC CDV 62305-2 Ed. 1
Riesgo y componentes del riesgo El riesgo R es una medida de las pérdidas, para cada tipo de pérdida debe evaluarse el riesgo relacionado. Los riesgos a evaluar en una edificación pueden ser: : Riesgo de pérdida de vidas humanas;
• R1
: Riesgo de pérdida de servicios públicos;
• R2
: Riesgo de pérdida del patrimonio cultural;
• R3
: Riesgo de pérdida de valores económicos.
• R4
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Riesgo tolerable RT Es responsabilidad de las autoridades pertinentes identificar los valores del riesgo tolerable. Valores representativos del riesgo RT , donde la caída de rayos involucra pérdida de vidas humanas, o pérdida de valores culturales o sociales, se reflejan en la siguiente tabla:
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TIPO DE PÉRDIDA Pérdida de vidas humanas
10-5
Pérdida de servicios públicos
10-3
Pérdida del patrimonio cultural
10-3
R T
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Evaluación del riesgo Procedimiento básico para realizar la evaluación: • Identificar el objeto a proteger y sus características; • Identificar todos los tipos de pérdidas en el objeto y los riesgos relacionados R (R1 a R4); • Evaluación del riesgo R para cada tipo de pérdida; • Evaluación de la necesidad de la protección, por comparación de los riesgos R1, R2, y R3 con el riesgo tolerable RT;
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• Evaluación de la conveniencia económica de la protección por comparación del costo de las pérdidas totales con o sin medidas de protección. En este caso debe evaluarse R4.
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3 Ejemplo Pr áctico En este ejemplo trataremos una casa vivienda que se remodela para utilizarla como oficina, los riesgos a evaluar son R1 (riesgo de pérdida de vidas humanas) y R4 (riesgo de pérdida de valores económicos). Nosotros evaluaremos solamente R1 y lo compararemos con el valor del riesgo tolerable RT = 10-5. Se decidió no poner instalación exterior de pararrayos en la edificación. Se hará la evaluación del riesgo en dos variantes, una sin instalar dispositivos de protección contra las sobretensiones (SPDs), y la otra variante con SPDs. IEC CDV 62305-2 Ed. 1
Componentes del riesgo a evaluar: R1 = R B+RU +RV R4 = R B+RC +R M +RV +RW +R Z
Como vamos a evaluar a R1 solamente, definiremos los componentes del riesgo relacionados con este valor:
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R B:
Componente del riesgo relacionado con el impacto del rayo a la estructura, tiene que ver con el daño físico causado por una chispa peligrosa dentro de la edificación (L1, L2, L3, L4) RU : Componente del riesgo para la edificación debido a un impacto del rayo a un servicio conectado a la misma. Este se relaciona con el daño a los seres vivos causado por la tensión de toque dentro de la edificación, provocada por la corriente del rayo inyectada en la línea que entra a la edificación (L1)
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RV :
Componente del riesgo para la edificación debido a un impacto del rayo a un servicio conectado a la misma. Componente relacionado con el daño físico (fuego o explosión provocados por una chispa entre la instalación externa y partes metálicas generalmente en el punto de entrada de la línea a la edificación) debido a la corriente del rayo transmitida a través de los servicios de entrada (L1, L2, L3, L4)
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Datos de la edificación y de los servicios que entran a la misma Datos de la edificación y características
Datos y características de las líneas de entrada y los equipos internos
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Cálculo de los valores a) Cálculo de las áreas equivalentes; b) Cálculo del número esperado de eventos peligrosos; c) Determinación de las pérdidas anuales esperadas; d) Evaluación de los componentes del riesgo y el riesgo total
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Áreas equivalentes de la estructura y las líneas
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Número anual esperado de eventos peligrosos
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Pérdidas anuales esperadas
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Cálculo del riesgo El riesgo R1 se expresa por la siguiente suma de componentes:
En la siguiente tabla se muestran los componentes involucrados y la evaluación del riesgo total:
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Evaluación del riesgo
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Conclusiones de la evaluación de R1
Debido a que el riesgo R1 = 3,62 x 10-5 es mayor que el valor del riesgo tolerable RT = 10-5 se requiere protección contra los efectos del rayo. Según el valor obtenido de la evaluación de R B = 0,072 x 10-5 vemos que nuestra decisión de no poner instalación exterior de pararrayos en la edificación fue acertada. Las mayores contribuciones al valor del riesgo están dadas por: • RV(Lta) (componente relacionado con la caída del rayo en la línea telefónica aérea) con un 78 %; • RV(LE) (componente relacionado con la caída del rayo en la línea de energía, es la suma de las dos secciones) con un 17 %. IEC CDV 62305-2 Ed. 1
Para reducir el riesgo R1 a un valor tolerable, deberán considerarse las medidas de protección que influencian los componentes RV. Las medidas posibles son: a) Instalar SPDs en los puntos de entrada a la edificación en las líneas de energía y telefónica aérea, esto reduce los valores de PU y PV de 1 a 0,03; b) Otra medida podría ser instalar cables apantallados en estos servicios, esto también reduce los valores de P U y PV. Nosotros escogimos la variante a) de instalar SPDs en las líneas de entrada, en la siguiente tabla mostramos los nuevos valores de los componentes del riesgo.
IEC CDV 62305-2 Ed. 1
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Reevaluación del riesgo
Implantación de las medidas seleccionadas La selección de las medidas a adoptar se hará tomando como base el reporte técnico IEC TR 61312-4 Ed. 1.0:1998. Protección contra el impulso electromagnético generado por el rayo – Parte 4: Protección de equipos en edificaciones existentes.
Implantación de las medidas seleccionadas Selección del sistema de distribución El sistema de distribución elegido para la instalación es el TN-S cuyas características son: • El punto neutro de cada fuente de energía se conecta a tierra de forma sólida. • Todas las partes conductoras accesibles de la instalación y de los receptores están conectadas a esa tierra mediante un conductor de protección (PE). • El conductor neutro (N) y el de protección (PE) son independientes en todo el sistema y están conectados entre sí sólo en el origen.
Selección de los SPDs a instalar en la entrada de la línea de baja tensión a la edificación Debido a que los componentes del riesgo evaluado por caída del rayo en la línea de energía dan un valor por debajo del permisible ( RU(LE) = 0,007 y RV(LE) = 0,605), aún sin instalar los SPDs, y además motivados por razones económicas, decidimos instalar SPDs para la protección contra sobretensiones originadas por caída lejana de rayos o por maniobras en el sistema electroenergético (Clase II), lo cual cumple con lo especificado en la norma IEC 60364-4-44. La selección de los SPDs se hará según lo especificado en las normas IEC 60364-5-53 e IEC 61643-12. Más adelante se muestra una sección del diagrama monolineal del panel donde está instalado el SPD, y se dan las características del SPD seleccionado.
Forma de conexión La norma establece que, si hay una conexión directa entre el conductor de neutro y el PE en o cerca del origen de la instalación, lo cual es nuestro caso, los SPDs deben conectarse entre cada conductor de línea y la barra principal de tierra, o la barra de PE, cualquiera que sea la ruta más corta. Selección según el nivel de protección (Up ) Según la tabla 44B (IEC 60364-4-44) seleccionamos la sobretensión de categoría III, la tensión soportada por los equipos en esta categoría es de UW = 2,5 kV. Ejemplos de estos equipos son paneles de distribución, interruptores automáticos, cables, interruptores, tomacorrientes, etc. El nivel de protección Up del dispositivo seleccionado deberá ser igual o menor de este valor.
Selección según la tensión de operación contínua (Uc ) La tensión de operación contínua deberá ser mayor o igual que 1,1Uo, siendo Uo la tensión de línea a neutro. Uc ≥ 1,1 x115 V = 126 V Selección según la corriente de descarga (In ) Esta no deberá ser menor que 5 kA 8/20
Selección según la corriente de cortocircuito esperada en el punto de instalación La corriente de cortocircuito en el punto de instalación es < 10 kA. La corriente de cortocircuito soportada por el SPD de conjunto con el dispositivo de sobrecorriente asociado deberá ser igual o mayor que 10 kA. Otras especificaciones Los conductores de conexión del SDP, es decir, los conductores que van desde el conductor de línea al dispositivo de protección por sobrecorriente, de este al SPS, y del SPD al conductor PE o a la barra principal de tierra, deben ser lo más cortos posibles, y en ningún caso deben sobrepasar los 0,5 m.
Características del SPD seleccionado
Evaluación de la necesidad de instalar un SPD adicional La norma plantea que, durante la operación del SPD, la tensión entre línea y tierra en el punto de instalación de éste está a un valor aproximado de Up. Si la distancia entre el SPD y los aparatos a proteger es muy grande, se pueden producir fenómenos oscilatorios por la propagación de la onda que lleven la sobretensión en los terminales de los equipos a un valor de 2 x Up. Los aparatos pueden fallar aún cuando el Up seleccionado sea menor que el UW de los equipos. Las oscilaciones pueden despreciarse para distancias menores de 10 m. En nuestra instalación la distancia entre el SPD ubicado en el panel de entrada y los equipos electrónicos a proteger es de 20 m y más, por lo que se decide instalar otro SPD en el panel secundario que alimenta propiamente a estos equipos (computadoras, etc).
Características del SPD seleccionado
Conclusiones Para la evaluación del riesgo y la selección de las medidas de protección no pueden darse reglas fijas, ninguna instalación se parece a otra, es el proyectista el encargado de evaluar cada caso en particular y tomar las decisiones más adecuadas. Ya existen algunos software’s para la evaluación del riesgo, la IEC tiene uno que según sus propias palabras hace una evaluación simplificada cuyos resultados pudieran diferir de los realizados mediante un cálculo detallado.
Conocemos también de uno de Schneider Electric, se incluye en el CD, cuyas principales limitaciones son: Hace una evaluación parcial del riesgo, enfocada solamente a la selección de los SPDs; No tiene en cuenta los SPDs de clase I o de primer nivel. La selección de las medidas a implementar en una instalación existente se debe realizar basada en el reporte técnico IEC TR 61312-4 Ed. 1.0:1998. Protección contra el impulso electromagnético generado por el rayo – Parte 4: Protección de equipos en edificaciones existentes. Para la selección de los SPDs recomendamos utilizar la IEC 60364-5-53, capítulo 534, anexos A, B, C, D; y la IEC 60364-4-44, capítulo 443. •
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