Lightning Protection Systems

Introducción

Las sobretensiones en los sistemas eléctricos pueden generarse por eventos externos, como rayos; por eventos internos, como conmutaciones y fallas; por condiciones internas, incluyendo fallas, ferroresonancia, rechazo de carga, pérdida de conexión a tierra, etc.; o por cualquier combinación de los anteriores. La magnitud de estas sobretensiones puede superar los niveles máximos permitidos, por lo que es necesario reducirlas y protegerse contra ellas para evitar daños a los equipos y un posible funcionamiento deficiente del sistema.

Entender el entorno electromagnético en el que se sitúa un equipo permite seleccionar las protecciones adecuadas en contra de perturbaciones e interferencias electromagnéticas que ponen en riesgo el desempeño de este.

Los transformadores en sistemas de distribución de media tensión presentan diferentes niveles de riesgos que resultan de la combinación de una cierta cantidad de variables que se deben identificar para su protección adecuada.

De todas las partes que componen el sistema de generación, transmisión, distribución y utilización de la energía, el sistema más vulnerable a las sobretensiones transitorias por rayos es el de distribución. Uno de los mecanismos para proteger las líneas, condensadores, transformadores y cables de distribución subterránea residencial (URD) en media tensión es el uso de dispositivos de protección contra sobretensiones transitorias (SPD por sus siglas en inglés o Surge Arrester) a lo que muchas personas llaman, erróneamente, pararrayos.

El tema tiene un grado de complejidad que casi no permite su simplificación, sin embargo, por economía de espacio y tiempo se intentará resumir lo posible sin que se pierda la esencia de lo que se pretende explicar.

Definiciones básicas:

1. Pico (Surge): una onda transitoria de corriente, potencial o potencia en un circuito eléctrico.
2. Sobretensión: Voltaje anormal entre dos puntos de un sistema que es mayor que el valor máximo que aparece entre esos mismos dos puntos en condiciones normales de servicio. Las sobretensiones pueden ser de baja frecuencia, temporales y transitorias (picos).
3. Supresor de picos (Surge Arrester): un dispositivo de protección para limitar las sobretensiones (picos) en los equipos mediante la descarga o el desvío de la corriente de sobretensión; limita el flujo de corriente de seguimiento de potencia a tierra y es capaz de repetir estas funciones según lo especificado.
4. Tensión nominal máxima de funcionamiento continuo (MCOV): El valor máximo eficaz (rms) de la tensión de frecuencia industrial que se puede aplicar de forma continua entre los terminales del supresor de picos.
5. Pico por rayos: “una perturbación eléctrica transitoria en un circuito eléctrico causada por un rayo.
6. Sobretensión por rayo: La tensión máxima que aparece en un supresor de picos o en el aislamiento causada por una descarga eléctrica provocada por un rayo.
7. Pico por conmutación: Una perturbación eléctrica transitoria fuertemente amortiguada asociada a la conmutación. En algunos casos, pero no en todos, puede producirse una sobrecarga en el aislamiento del sistema que preceda o siga a la conmutación.
8. Sobretensión temporal: Una sobretensión oscilatoria, asociada con conmutaciones o fallas (por ejemplo, rechazo de carga, fallas monofásicas) o no linealidades (efectos de ferro resonancia, armónicos), de duración relativamente larga, que no está amortiguada o está ligeramente amortiguada.
9. Nivel de aislamiento: Combinación de valores de voltaje (tanto de frecuencia industrial como de impulso) que caracterizan el aislamiento de un equipo en función de su capacidad para soportar tensiones dieléctricas.
10. Nivel básico de aislamiento contra impulsos de rayo (BIL): La rigidez dieléctrica del aislamiento se expresa en términos del valor de cresta de un impulso de rayo estándar en condiciones atmosféricas estándar. El BIL puede expresarse de forma estadística o convencional.
11. Corriente de descarga del supresor de picos: La corriente que fluye a través de un supresor de picos como resultado de una sobretensión incidente.
12. Tensión de descarga del supresor de picos: La tensión que aparece entre los terminales de un supresor de picos durante el paso de la corriente de descarga.
13. Clasificación del ciclo de trabajo del supresor de picos: El valor máximo permisible de la raíz cuadrática media (rms) de la tensión de frecuencia industrial entre sus terminales de línea y tierra al que está diseñado para realizar su ciclo de trabajo.

Entorno de la línea de distribución

Las líneas de distribución generalmente no están blindadas y, por lo tanto, son particularmente susceptibles a las descargas directas de los rayos. Las sobretensiones transitorias generadas por los rayos son más preocupantes que las causadas por la conmutación. Por lo tanto, la coordinación del aislamiento basada en las sobretensiones de los rayos es la principal consideración para los sistemas de distribución.

El nivel y la frecuencia de aparición de las corrientes de descarga varían ampliamente y dependen en gran medida de la exposición del sistema de distribución y de la densidad de descargas a tierra.

Los supresores de picos aplicados en sistemas expuestos (pocos árboles y edificios) de carácter rural (equipos y terrenos menos frecuentes) ubicados en áreas de alta densidad de descargas a tierra (GFD) experimentarán corrientes de gran magnitud con mayor frecuencia que los supresores de picos en ubicaciones protegidas. Los supresores de picos aplicados en sistemas con protección moderada a buena (muchos árboles o edificios circundantes) y de carácter suburbano o urbano con menor separación entre equipos experimentarán menos descargas de gran magnitud.

Prácticas de instalación que comprometen la coordinación del aislamiento

Entre las prácticas de instalación que comprometen la coordinación del aislamiento se incluyen las siguientes:

a) Cables largos entre la línea y el terminal de línea del supresor de picos, y entre el terminal de tierra del supresor de picos y la derivación a la carcasa del equipo.

b) Grandes distancias de separación entre el supresor de picos y el equipo protegido.

c) Falta de interconexión de los terminales de tierra del supresor de picos y del equipo.

Selección del supresor de picos

Los sistemas de potencia que deben protegerse con supresores de picos de distribución son:

1. Configuración (tres hilos) estrella o triángulo, con puesta a tierra de alta o baja impedancia en la fuente; o
2. Configuración (cuatro hilos) estrella con múltiples conexiones a tierra.

La construcción incluye sistemas de cable abierto, cable espaciador y cable subterráneo.

La correcta aplicación de los supresores de picos de óxido metálico en sistemas de distribución requiere conocer:

1. La tensión máxima de operación normal del sistema de potencia; y
2. La magnitud y duración de las sobretensiones transitorias durante condiciones de operación anormales.

Ejemplo

Habiendo hecho la introducción con gran parte de los fundamentos que rodean el uso e instalación correctas de los supresores de picos para media tensión, se pasa a la parte de aplicación.

Se pretende proteger un transformador con BIL de 95 kV en poste.

Esta publicación se limitará a sistemas de distribución con tensiones nominales que van desde 12.0 kV a 13.0 kV, siendo el más utilizado en República Dominicana la tensión nominal 12.47 kV/7.2 kV con cuatro hilos y múltiples tomas a tierra a lo largo del circuito. En este tipo de sistema el valor nominal de los supresor más utilizados aquí en R.D. son 9 y 10 kV, respectivamente.

Para el sistema 12.47 kV /7.2 kV en (Y) y puesto a tierra, la tensión línea-tierra es 7.2 kV, se necesita un supresor con un MCOV de al menos un 5% superior, es decir, 7.56 kV. Además el supresor debe ser capaz de soportar sobretensiones temporales un 25% superiores, o sea 9.0 kV.

Según datos del fabricante un supresor de 10 kV es capaz de operar a un MCOV de 8.4 kV, superior a la sobretensión nominal de 7.56 kV. Lo que para un supresor de 9 kV ese valor es de 7.65 kV, que es un valor muy cerca del 5% de 7.2 kV. Queda descartado el uso del supresor de 9 kV en esas circunstancias.

Procedimiento

Ahora se debe considerar cómo se comparan las características de protección con las características de resistencia al aislamiento del equipo. Generalmente se consideran dos puntos (un tercero es solo para sistemas de mayor tensión). En cada punto se analiza un margen de protección (MP). El primer punto compara la resistencia a la onda cortada (CWW) del aislamiento con la descarga disruptiva frontal (FWSO) del supresor. Se parte de que la resistencia a CWW es del 115%del BIL. Se calcula el MP1 con la siguiente fórmula:

MP1= [(CWW/FWSO) – 1] X 100

MP1: margen de protección uno

CWW: resistencia al aislamiento de ondas cortadas (kV)

FWSO: resistencia al frente de onda (kV)

El segundo compara el BIL con la tensión de descarga del supresor a una corriente de descarga determinada. El margen de protección 2 es:

 MP2= [(BIL/DV) – 1] X 100

MP2: margen de protección dos

BIL: nivel básico de aislamiento al impulso del equipo a proteger (kV)

DV: tensión de descarga a una corriente de pico especificada (kV)

¿Cuáles son los niveles de protección para el transformador con BIL de 95 kV protegido con un supresor de 10 kV ante una corriente de 20 kA?

Para ese supresor FWSO es 28 kV y la tensión de descarga a 20 kA es 34.7 kV, asumiendo que el CWW, la resistencia a la onda cortada es 115% del BIL, los márgenes de proteccion son:

MP1 = [(1.15 X 95/28) – 1] X 100 = 290%

MP2= [(95/34.7) – 1] X 100 = 173%

Basándose en los resultados anteriores parece que esos niveles serán fáciles de alcanzar. Sin embargo, en este ejemplo solo se ha considerado la función del supresor en la protección del transformador. Otro aspecto que se debe considerar es la longitud del cable del supresor. Esa longitud es la trayectoria paralela desde la parte superior del equipo protegido hasta la parte inferior, o extremo conectado a tierra, del equipo que este paralelo con el supresor.

Longitud del conductor del supresor de picos

En promedio un conductor tendrá una inductancia de aproximadamente 0.4 µH/pie. Una corriente de rayo desarrolla una tensión en el cable aproximadamente de 1.6 kV/pie. Este valor puede variar considerablemente según la magnitud del impulso de rayo, y son posibles valores de hasta 5 kV/pie con impulsos de 65 kA.

Supongamos que la longitud del cable que conecta al supresor con el transformador es de 10 pies y que los cables desarrollarán una tension de 1.6 kV/pie. La fórmula para el MP2 ahora queda así:

MP2 = {[BIL/ (DV + L)] – 1}

MP2 = 87%

¿Qué ocurre si, debido a un impulso de 65 kA, la tensión en la longitud del cable del supresor es de 5 kV/pie?

MP2 = 12%

Para un impulso de 65 kA, el MP2 del supresor no es suficiente para proteger el transformador si el alambre es de 10 pies. Entonces, ¿qué pasaría si la longitud fuera de 12 pulgadas, mentando el supresor directamente sobre el transformador?

MP2 = 139%

Evidentemente, montar el supresor directamente en el transformador proporcionará un margen de seguridad significativo incluso ante impulsos de rayo muy severos.

Los electrodos de tierra, en principio, se supone que están al mismo potencial eléctrico del suelo, este potencial se conecta como referencia a un conductor activo (generalmente el punto neutro) en los sistemas puestos a tierra o a las carcasas de sistemas no puestos a tierra (flotantes). En ambos casos el potencial del suelo se extiende mediante el conductor de tierra de protección.

El valor de la resistencia a la dispersión de un electrodo de tierra depende de sus dimensiones geométricas y de los parámetros del suelo. Tomando los parámetros del suelo como una constante, el valor de la resistencia de una varilla de tierra está mayormente influenciado por una relación inversa con su longitud. En otras palabras, mientras más largo es el electrodo, menor resistencia de dispersión tendrá.

No basta con que el diseño cumpla con el valor de resistencia de puesta a tierra según su aplicación, los electrodos deberán tener una expectativa de vida mayor a los 20 años, de manera, que se debe explorar el suelo para determinar los factores que podrían acortar el tiempo de vida útil.

Las siguientes fotografías muestran dos casos de electrodos no certificados (Caso 1 y Caso 2) y uno con electrodo certificado (Caso 3). En el Caso 1 se aprecia un nivel de corrosión acelerado, aunque el pH del suelo es casi neutro, esto evidencia la presencia de ácidos orgánicos.

Periodos de los electrodos: Caso 1, (4 años), Caso 2 (3 años) y Caso 3 (5 año). El Caso 3 aun con 5 años de enterramiento presenta poca corrosión, pues, es certificado UL 467.

Como se puede apreciar en el Caso 2, la longitud encontrada fue de 12 pulgadas (1 pie), esto significa que su resistencia se vio aumentada de 5 a 6 veces su valor original, conduciendo a un problema de seguridad eléctrica.

El Caso 1 muestra desgaste considerable y que en un tiempo no muy grande iba a fallar la conexión.

Se concluye que, los electrodos de tierra deben ser observados y medidos en periodos de tiempo regulares a fin de conocer su estado de funcionamiento.

La tabla muestra la resistencia a la corrosión de los materiales de los electrodos de acuerdo con los parámetros del suelo. Esa información ofrece una idea de qué tipo de material de electrodo se debe escoger.

Antes de sugerir la implementación de sistemas de protección contra descargas eléctricas atmosféricas (rayos) en edificaciones comerciales, industriales o de telecomunicación, se debe agotar un proceso de evaluación de riesgos asociados a los rayos.

El procedimiento debe seguir un orden lógico que tome en cuenta los parámetros relevantes y las posibles consecuencias al momento de un impacto.

A continuación se resumen las consideraciones pertinentes en la evaluación.

1. Calcular la probabilidad que tiene un edificio de ser impactado directamente por un rayo durante un periodo de tiempo determinado que, generalmente, se indica en impactos por año.
2. Evaluar la influencia que tienen los siguientes parámetros del edificio: entorno, tipo de construcción, ocupación, contenido y consecuencias de un impacto.
3. Evaluar la influencia que tienen los diferentes tipos de servicios y sistemas en el acoplamiento de corrientes y tensiones hacia el interior de la edificación.
4. Evaluar la posibilidad de daños por impacto directo o indirecto.
5. Evaluar las posibles pérdidas por impacto directo o indirecto.
6. Establecer el valor de las perdidas tolerables.
7. Calcular el valor de las posibles pérdidas.
8. Comparar el valor de las pérdidas tolerables con el valor de las pérdidas calculadas.
9. Si el valor calculado es mayor que el valor tolerable, el sistema es obligatorio.
10. Si el valor calculado es menor que el valor tolerable, el sistema es opcional.
11. Si se decide instalar un sistema de protección, se debe realizar un diseño apegado a la ciencia, tecnología y normas vigentes a la fecha de la implementación. Dejando una memoria de cálculo y decisiones.

Tanto la evaluación de riesgos como el diseño e instalación de sistemas de protección contra rayos deben ser gestionados por profesionales pues, la inobservancia de los fundamentos puede comprometer la vida de personas y provocar pérdidas materiales.

El crecimiento geométrico de los Equipos de Tecnología de la Información (ITE o IT) y la necesidad de comunicación con otros equipos marcó el comienzo de una época de confusión relacionada a la puesta a tierra de estos y que perdura hasta el momento.

Para enfrentar las indeseables interferencias electromagnéticas (ruidos) en los sistemas y equipos de tecnología la información vía los conductores de tierra de protección (EGC o PE) se recurrió a la práctica de conexión a tierra con alambre aislado y desvinculado de los demás conductores de tierra del sistema eléctrico (insulated/isolated ground, IG). Pues, siempre el código eléctrico (NEC) ha permitido que el conductor de tierra de protección sea sin aislante (desnudo).

“El NEC no hace ninguna recomendación sobre la eficacia del método IG, ni tampoco alienta a las personas a emplearlo de manera general. Es simplemente un método de cableado permitido bajo un encabezado de excepción, ni más ni menos. Esto se desprende de una lectura cuidadosa de la Sección # 250-74 del NEC 1987/90; Conexión del terminal del receptáculo a la caja; Excepción nº 4, circuitos IG”, dice Warren Lewis en su artículo de IEEE “The use and abuse of Insulated/Isolated Gounding”.

Si bien, de por sí, la puesta a tierra era un tema confuso para los electricistas, con la nueva jerga de los fabricantes e instaladores de IT, el problema fue agravado. Estos grupos comenzaron a utilizar el termino “tierra de seguridad” o “tierra sucia” para referirse a lo que el NEC llama ECG y “tierra limpia” a la tierra IG.

Esa fue una de las causas por la que nació la practica de poner a tierra los IT (computadoras, routers, switches…) con electrodos dedicados e independientes, generando un alto riesgo para los equipos y las personas que los manejan.

En la actualidad los equipos IT tienen una gran inmunidad a las interferencias electromagneticas, de manera que, su uso debe ser razonable.

Las fotos muestran receptáculos que se utilizan en este tipo de instalación.

Los contactos flojos o muy apretados representan una de las causas más comunes de incendios con origen eléctrico. Se ha podido comprobar que el aislamiento de los alambres eléctricos rara vez falla a lo largo de su recorrido, más bien lo hacen en sus respectivas terminaciones.

La conexión satisfactoria de alambres eléctricos depende del cumplimiento de las características de fabricación de los terminales y conectores, del ajuste debido a la temperatura de diseño de su tipo de aislamiento, la temperatura ambiente y el torque aplicado a los tornillos de los terminales.

Muchos buenos instaladores creen que saben cuánto apretar las conexiones de los tornillos sin usar una llave dinamométrica porque todo funciona cuando está energizado. Lo que rara vez ellos ven es lo que sucede dentro de un año o una década cuando la conexión que no se instaló correctamente comienza a sobrecalentarse y fallar.

Un estudio demostró que solo el 25% de los electricistas que usan destornilladores o diferentes tipos de llaves sin un equipamento dinamométrico aplican el torque adecuado a los terminales y conectores eléctricos.

A raíz de ese estudio el NEC-2017 (National Electrical Code 2017) introdujo cambios en la forma en que se deben apretar las terminaciones de alambres eléctricos.

Por todo lo anterior, conviene hacer evaluaciones profesionales detalladas del sistema eléctrico en períodos que pueden ir desde 1 a 5 años para confirmar el buen estado de las instalaciones. Los períodos dependerán de las condiciones ambientales del lugar.

Rara vez el personal de mantenimiento tiene la disponibilidad o el conocimiento para visualizar riesgos que pasan inadvertidos.

Los riesgos eléctricos en las habitaciones de hospitales públicos y centros de salud privadas son más o menos parecidos a los que se presentan en muchas áreas húmedas de viviendas, sin embargo, en las áreas críticas como salas de cirugía o Unidades de Cuidados Intensivos son mayores.

Los pacientes más susceptibles son los que están expuestos a conductores externalizados, catéteres de diagnóstico u otro contacto eléctrico con el corazón o cerca de él.

Para entender la magnitud del riesgo basta con comparar la intensidad de la corriente que puede electrocutar una persona por contacto indirecto y otra sometida a cirugía o cuidados médicos donde hay instrumentos conectados a la caja torácica.

Una intensidad de corriente de 100 miliamperes (100 milésimas de ampere) produce fibrilación ventricular en un choque eléctrico indirecto provocando la muerte, mientras que en un paciente con aparatos instalados en su tórax o el corazón, 100 micro amperes (100 millonésimas de ampere) es lo que se necesita para el mismo resultado. Es decir, se necesita 1,000 veces menos corriente para una electrocución de un paciente en las condiciones descritas anteriormente.

La solución a este problema es la implementación de fuentes de potencia eléctrica aisladas en áreas críticas. En nuestro país, lamentablemente, la mayoría de los ingenieros electricistas no saben que existen ni comprenden esos sistemas, en consecuencia, la mayoría de centros de salud no los tienen. Peor aún, donde los hay, los técnicos de mantenimiento, que son los responsables por el buen funcionamiento durante la vida útil del sistema, tampoco entienden cómo funciona.

Este escenario plantea retos tanto para los ingenieros como para los centros de salud pública y privada y, en definitiva, para sus respectivos pacientes.

El SRG, malla de referencia de señal (Signal Reference Grid), se convirtió en una parte estándar del diseño de puesta atierra en centros de datos en 1983 como resultado del Estándar Federal de Procesamiento de Información de EE. UU.  FIPS PUB 94 “Guideline for Electrical Power for Automatic Data Processing Installations.”

Este documento histórico describió por primera vez los principios científicos de las interferencias electromagnéticas con equipos de TI (Tecnología de la Información) y estrategias de diseño para eliminar las interferencias. En ese documento se explican y recomiendan el SRG, junto con otras estrategias de diseño, incluidos los dispositivos de aislamiento y los transformadores balun (Balance-Unbalance Transformers). En ese momento, los problemas de ruido eléctrico en los circuitos de datos eran motivos de preocupación porque afectaba a muchos centros de datos, y el SRG era un componente clave en la solución al problema. Como resultado, el SRG pasó a formar parte de las especificaciones estándar de centros de datos. Aunque el FIPS PUB 94 fue retirado en 1997, todavía se hace referencia comúnmente al estándar en la actualidad.

Hoy en día, varios estándares corporativos y de la industria especifican o recomiendan rutinariamente una SRG. Un ejemplo es EIA / TIA 607 – Commercial Building Grounding and Bonding Requirements for Telecommunications. La mayoría de los documentos que recomiendan un SRG no aclaran cuándo se debe aplicar, lo que deja a los usuarios con la incertidumbre de si el SRG se recomienda para centros de datos, salas de servidores o armarios de cableado más pequeños. Sin embargo, la comprensión general en la comunidad de usuarios se resume en la siguiente recomendación publicada:

“Se debe emplear una estructura de referencia de señal (SRS) como medio básico para lograr una referencia de tierra común de alta frecuencia para todos los equipos dentro de un área contigua. Un SRS correctamente diseñado e instalado iguala efectivamente el potencial de tierra en un amplio rango de frecuencias desde CC hasta el rango de megahercios”.

Aunque la ciencia de la interferencia electromagnética no ha cambiado en los últimos 43 años desde FIPS PUB 94, la naturaleza de los equipos de TI ha cambiado sustancialmente. Estos cambios en el diseño de los equipos de TI han modificado totalmente la susceptibilidad de los equipos al ruido eléctrico. Los equipos funcionan a frecuencias mucho más altas, con diferentes tipos de fuentes de alimentación y, lo que es más importante, con diferentes tipos de cableado de datos.

En el momento en que se creó el SRG, los principales sistemas de interfaz de datos eran los del grupo de “baja inmunidad”.

Para terminar de entender la susceptibilidad de los equipos modernos solo basta con mirar la tabla adjunta.

Los parámetros que determinan el grado de seguridad de una instalación eléctrica están definidos en base a la energía eléctrica que puede soportar una persona sin que ocurra fibrilación ventricular (una arritmia grave que puede causar colapso y muerte cardíaca súbita).

Para una persona que pesa 110 libras o menos (los más vulnerables) el tiempo máximo que puede estar expuesta a una tensión de 120 voltios es 2.1 segundos.

Sabiendo que la tensión de 120 voltios es la más usada en instalaciones residenciales y comerciales, el nivel de exposición al riesgo de electrocución es muy alto si la instalación no cumple con los requerimientos mínimos de seguridad.

Para evitar situaciones riesgosas, se debe garantizar que la impedancia máxima del circuito de falla a tierra (conductores neutro y tierra) no supere los 0.8 ohm para una protección de 20 amperes (breaker o fusible) y que dicha protección reaccione en menos de 2.1 segundos.