Download Modelo de protección eléctrica en instalaciones de sistemas de

MODELO DE PROTECCIÓN
ELÉCTRICA EN
INSTALACIONES DE
SISTEMAS DE CÓMPUTO Y
COMUNICACIONES
P arte de la inform ación proporcionada
es con autorización de:
Em presa Erico, especialista a nivel
m undial en protecciones
Sistem a de Tierras para Radiobases y
Com unicaciones. I ng. Fernando
Atristáin V.
http://www.erico.com
OBJETIVO
Concientizar sobre la importancia de la
seguridad física en las instalaciones de
sistemas de cómputo y
comunicaciones, mediante la
aplicación de un modelo integral de
seis puntos de protección eléctrica
contra disturbios atmosféricos y
eléctricos.
¿QUÉ SIGNIFICA PROTECCIÓN ELÉCTRICA
PARA INSTALACIONES?
Un enfoque de coordinación de sistemas de tierra,
protección contra transitorios y protección contra
descargas atmosféricas considerado dentro de las
instalaciones.
Las instalaciones pueden ser un conjunto de
edificaciones, una planta industrial, campos
deportivos o lugares abiertos con equipos y personal.
¿POR QUÉ LA COORDINACIÓN ES
IMPORTANTE?
Hasta hace 15 años, se consideraba suficiente aislar
los circuitos de datos y comunicaciones de los
circuitos de energía.
Tanto la protección contra descargas atmosféricas y
transitorios, como los sistemas de tierras y
aterrizamientos, no son fácilmente entendibles en su
aplicación.
Los administradores de cómputo y redes, requieren
ingenieros quienes supervisen la protección integral
de las instalaciones.
LOS DAÑOS DE UNA DESCARGA SE DEBEN A:
Inadecuada protección contra descargas.
Inadecuado sistema de tierra que permita a la
descarga circular cerca del equipo electrónico
sensible.
Insuficiente protección y filtros contra transitorios en
las líneas de potencia.
Falta de protección en circuitos de comunicación,
datos y señalización.
¿POR QUÉ SE REQUIERE DE PROTECCIÓN ANTE
DESCARGAS ELÉCTRICAS?
•Seguridad de Personas
•Evitar daños en Estructuras
•Evitar daños en Equipos
•Pérdidas de Operaciones
•Continuidad en Servicio
•Costos de Reparación
•Satisfacción de Usuarios
DAÑOS EN LA UADY EN UN DÍA DE TORMENTA EN 2002
Radios inalámbricos: 5
Switches: 6
Hubs: 4
Daños en puertos de switches: 4
Conmutadores telefónicos: 5
Computadoras: 20
Costo asociado: $ 600,000.00
PLAN DE
PROTECCIÓN DE
SEIS PUNTOS
PLAN DE PROTECCIÓN DE SEIS PUNTOS
1.Capturar la descarga atmosférica en un punto
designado.
2. Conducir sin riesgo la descarga a tierra en
forma segura.
3. Disipar la energía a tierra.
4. Crear un plano de tierra equipotencial.
5. Proteger contra transitorios entrantes por los
circuitos de potencia.
6. Proteger contra transitorios entrantes por los
circuitos de comunicación/datos.
PROTECCIÓN CONTRA RAYOS Y TRANSITORIOS
PARA UNA INSTALACION TÍPICA DE
TELECOMUNICACIONES
6.- Proteger contra descargas
entrantes por las líneas de
comunicación/ datos.
(TLP, DLP, etc)
1.- Capturar
el rayo.
2.- Conducir la
energía a
tierra.
5.- Proteger el equipo
contra descargas
entrantes por las líneas
de potencia (SRF).
4.- Crear un plano de
tierra equipotencial.
3.- Disipar la energía.
(Tierras de baja Impedancia)
1.Capturar el rayo
en un punto determinado
2.Conducir
Energía a Tierra en
forma segura
6. Proteger contra transientes
en líneas de datos/comunicación
5. Proteger Equipos
de transientes en
Líneas de Potencia
3. Disipar la Energía
(Sistema Baja Impedancia)
4. Unión
Equipotencial
PLAN DE PROTECCIÓN
DE SEIS PUNTOS
PRIMER PUNTO
CAPTURAR LA DESCARGA DEL
RAYO EN UN PUNTO DESIGNADO
DÍAS DE TORMENTAS ELÉCTRICAS
EUROPA
AMERICA
del NORTE
ASIA
Ecuador
AFRICA
AUSTRALIA
AMERICA
del SUR
DIAS DE TORMENTAS
02410 20
40
60
80
100
140
200+
MAPA DE ISODENSIDAD DE RAYOS
VALORES PROMEDIO DE UNA DESCARGA
Potencia Instantánea > Un Megawatt
Energía Total
> de 250 Kilojoules por metro
Presión Sonora
90 Atmósferas a 500m de distancia
Temperatura
30,000°K+ (5 veces la superficie del Sol)
Tiempo de Elevación 0.1 a 5 Microsegundos
Corriente Promedio
30 kA
Duración
300 Microsegundos + Repeticiones
Longitud de Canal
5 km
NIVELES TÍPICOS DE RAYOS PARA PROTECCIÓN CONTRA
IMPACTOS DIRECTOS EN ESTRUCTURAS
El rayo es un evento estocástico
85% de impactos son > 15kA
93% de impactos son >10kA
98% de impactos son > 6kA
Impacto medio = 30 kA
100% protección no es posible
¿CÓMO SE FORMA UNA DESCARGA?
La distribución de la
carga negativa en la
parte baja de la nube
de tormenta induce
una carga positiva en
tierra, ya sea a nivel de
la superficie o sobre
objetos metálicos
conectados a tierra.
¿CÓMO SE FORMA UNA DESCARGA?
Campo Eléctrico - nube a
tierra = 10 kV/m
 A 11kV/m - la nube tiene
suficiente carga para generar
un líder descendente
 El líder descendente inicia
a bajar a 2m/sec.
 La intensificación del campo
es mayor en la punta de la
estructura.
 La carga líder origina una
intensificación del campo
eléctrico bajo de ella.

Típica carga líder 0.5 to 10 Coulombs
¿CÓMO SE FORMA UNA DESCARGA?
 Líder
y trazador
se reunen en el aire
mediante un salto.
 El retorno del choque
principal fluye por el
camino ionizado.
 Choque repetitivos
fluyen en el mismo
canal - el 70% de los
impactos de rayos son
por multidescargas.
El salto final
ocurre
típicamente a 10
metros
La carga total se
transfiere por
retorno de
impactos
típicamente de 5200 Coulomb en
0.05-1.5 segundos
¿CÓMO SE FORMA UNA DESCARGA?
Múltiples trazadores
inician pero no
interceptan con el líder
descendente

La mejor terminal
establecerá el contacto
con el líder más potente.

Un segundo
trazador iniciará
debido a la
velocidad de
descenso
DISTANCIA CRÍTICA DE ROMPIMIENTO
TECNOLOGÍAS DE CAPTURA DE DESCARGAS
Puntas Franklin
Norte America, Japón,
America del Sur
Jaula de Faraday
UK, Europa del Norte
Sistemas Propios
Asia, Australia, UK,
Francia, España
Sistemas Híbridos
Potencialmente Mundial
TERMINAL AÉREA
Una terminal aérea, tal y como la describió Benjamín
Franklin, es un punto de sacrificio para la terminación
del rayo. No protege circuitos ni equipos eléctricos o
electrónicos alojados en el interior del edificio o
estructura a proteger, como tampoco protege a las
personas que se encuentran alrededor de la terminal
aérea.
COBERTURA POR MÉTODO DEL
CONO DE PROTECCIÓN (IEC)
CONO DE PROTECCIÓN
1823 Se asignó 63º para el área de protección
1853 Debido a fallas, el área se modificó para 53º
1882 Debido a nuevas fallas es modificado a 45º
1905 El comité de Investigaciones de Rayos
Británico notó que han existido fallas al
considerar la existencia de cualquier zona de
protección.
FALLAS DEL MÉTODO DEL CONO DE PROTECCIÓN
PUNTA FRANKLIN - CONO DE PROTECCIÓN
Cono de
Protección
DISEÑO CON EL MÉTODO DE JAULA DE FARADAY
PROTECCIÓN ESFÉRICA CONTRA DESCARGAS DIRECTAS
TERMINAL ÁEREA DYNASPHERE CLT
Acumulación
Acumulación
del campo en
la superficie
Mástil aislado
+
++ + + +
+ +
+
Ioniza el aire
para crear
líder
ascendente
Condición
Estático:
Dinámico:
Acción
Carga descarga
Carga se acumula
BENEFICIOS DE LA TERMINAL ÁEREA DYNASPHERE
Una sola Dynasphere brinda un área de
protección mayor que los métodos de Franklin o
Faraday.
Apariencia no obstructiva.
Simple y económica de instalar con un
mantenimiento requerido mínimo.
Rendimiento esta basado en lo más actualizado
en tecnología de descargas atmosféricas.
Miles de sistemas operando efectivamente a
nivel mundial.
Pararrayos
Dynasphere
Barras Franklin
PLAN DE PROTECCIÓN
DE SEIS PUNTOS
SEGUNDO PUNTO
CONDUCIR LA ENERGÍA EN
FORMA SEGURA A TIERRA
CONDUCTORES DE BAJADA
La función de un conductor de bajada
es proporcionar una trayectoria de
baja impedancia desde las terminales
aéreas hasta el sistema de puesta a
tierra para que la corriente de rayo
sea conducida a tierra en forma
segura.
TIPOS DE CONDUCTORES
Material:
•Aluminio o Cobre
Construcción:
•Soleras o cintillas
•Cables desnudos trenzados,
cables aislados
•Acero estructural, acero de
refuerzo
CABLE DE BAJADA
V = IR + L di/dt
Para 30KA en 1 us, en 1 mt 2/0AWG
V = 30KAx0.1 + 1.0 uHx30KA/1us
= 3000 + 3000
= 33 KV/m
Para torre de 24 m
Vcable = 792KV
Vtorre = 0V
Vaire = 30KV/cm < 792KV = Vcable
Vaire < Vcable => ARCO
CANALIZACIÓN A TIERRA
PROPÓSITO DEL CABLE AISLADO DE BAJADA
Proveer un medio seguro para conducir
la energía a tierra reduciendo la posibilidad
de que esta energía se transfiera
a la estructura, al equipo y a la gente.
CONDUCTOR DE BAJADA AISLADO
Llenador
Conductores arreglados en configuración
anular
Cinta Semiconductiva 100µm
Aislador Principal
Envoltura Semiconductiva.
Conductores de Cobre Trenzados
Envoltura Externa.
BENEFICIOS
Reduce el riesgo del arqueo.
Selección de la ruta a tierra.
Un solo sistema de tierras.
No requiere la conexión al edificio.
La mayoría de la energia se concentra en el
conductor.
Relativamente fácil de reemplazo.
Reduce la inducción al equipo electrónico
cercano.
SISTEMA DE PROTECCIÓN EXTERNO
CONTRA RAYOS ACTIVO/ACTIVO
Dynasphere
Ericore
ERICO
Sistema
de Tierra



Simple de instalar
Ideal para edificios
No obstructivo
SISTEMAS DE PROTECCIÓN
ERICORE
Conductor
de bajada
Conducto
de cobre
ERICO SISTEMA 3000™
ERICO SISTEMA 2000™
PLAN DE PROTECCIÓN
DE LOS SEIS PUNTOS
TERCER PUNTO
DISIPAR LA ENERGÍA A TIERRA
TIERRA DE BAJA IMPEDANCIA
SISTEMA DE TIERRAS
Los objetivos básicos que se
persiguen con el uso de un sistema
de tierras son los siguientes:
Ofrecer una trayectoria de drenado
para los elementos metálicos no
energizados de los equipos a través
de la masa de tierra, cuando se ven
expuestos a tensiones o corrientes
anómalas o acumulación de cargas
electrostáticas.
SISTEMA DE TIERRAS
Permitir el flujo de corriente en el caso de
una falla tierra con el objeto de que el
equipo de protección opere correctamente y
pueda aislar la falla.
Evitar el desplazamiento del voltaje
suministrado por la fuente con el fin de
garantizar la correcta operación del equipo
alimentado.
SISTEMA DE TIERRAS
Suministrar una superficie equipotencial
con el objeto de minimizar diferencias de
potencial que puedan ser fuentes de
corriente indeseables y que puedan afectar
el equipo electrónico sensible.
¿POR QUÉ PONER A TIERRA?
Se Require por Norma.
Seguridad del Personal.
Reduce diferencias de potencial.
Protección al Equipo.
Disipación de rayos.
Descarga de Energía Electrostática.
Control de ruido.
COMPONENTES DEL SPAT
CADENA A TIERRA
Descarga (Icc,Rayo,
Transiente,Estática)
1. UNIÓN EQUIPOTENCIAL
(Barra Colectora, SRG)
3. CONDUCTOR DE
BAJADA A TIERRA
5. SISTEMA DE TIERRA
BAJO SUELO
(Conductores, Barras de Tiera)
7. SUELO
(Resistividad, Corrosión)
2. CONEXIÓN
(Barra y Cable Bajada)
4. CONEXIÓN (Unión Cable
Bajada y Puesta a Tierra)
6. CONEXIÓN A SUELO
(Tratamiento de Suelo)
SISTEMA DE
TIERRA
SOBRE
SUELO
SPAT-SS
SISTEMA DE
TIERRA
BAJO SUELO
SPAT-BS
Disipación de la
Descarga al suelo
LA GARZA Y EL TORO
COMPONENTES DE SISTEMAS DE TIERRA
Conductor
Conector
Electrodo
Electrodo a tierra
Tierra
CONDUCTOR
Material.
Cobre, copperweld, acero, aluminio.
Tamaño.
Suficiente para conducir la máxima corriente
de falla durante el período de respuesta de
los sistemas de protección.
CONECTOR
Conexiones de material y tamaño
adecuado, y resistente a la corrosión
para mantener las características
originales de baja impedancia
(resistencia) hasta 40 años.
SOLDADURA EXOTERMICA CADWELD®
Exotermica: Reacción produciendo calor
Al + Óxido Cu -> Cobre + Óxido Al
Reacción Temperatura a 2484°C
Temperatura de ignición para la puesta en marcha del material a 455°C
Temperatura de Ignición de soldadura del material a 955°C
Cobre a otros numerosos metales
Aceros; Acero Inoxidable;
Pieza fundidas, Hierros
Forjados; Latón; Bronce;
Elementos Metálicos Calientes
Libre de Mantenimiento
Unión Molecular
SOLDADURA EXOTERMICA
CADWELD TAC 2V2V
ANSI/IEEE Std.80-1986
CONECTOR MECÁNICO
Clausula 9.5:
Selección de Junturas:
Limitaciones de Temperatura:
Oxiacetilénica: 450 oC (Soldadura Bronce)
Mecánica: 250 oC (Apernada)
350 oC (Compresión)
La limitación de temperatura no se
requiere si el conector pasa la IEEE Std.
837-1989
Soldadura Exotérmica: 1083 oC
Conectores probados
por IEEE Std. 837-1989
Las pruebas fueron ejecutadas por
CADWELD® exotérmicamente soldadas
y por tipos de prensas de tierra usando
conductor de cobre envejecido.
El conductor envejecido fue usado para
simular condiciones que se encuentran
en conexiones realizadas en mallas
existentes.
BARRAS DE TIERRA
Los electrodos
toma tierra que cumplen
las exigencias anteriores
son fabricados con una
barra de acero recubierta
por una gruesa película de
cobre (0.254 mm) de
acuerdo a las Normas
ANSI/UL 467-1984 y ANSI
C 33-8, 1972
TIPOS DE ELECTRODOS PARA TIERRA
Electrodo
Eritech
Eritech
Y
Gem
Electrod
o
Químico
TERRENO
La resistividad del terreno debera
de ser considerada con cuidado,
incluyendo el contenido de
humedad y la temperatura.
INTENSIFICADORES DE TIERRA
Reducir la Resistencia de
contacto del electrodo a tierra.
Evitar Corrosión.
NO dependencia de la
Temperatura y Humedad del
suelo.
No debe Contaminar ni
Degradarse.
RESISTIVIDAD DEL SUELO
Sal de agua de mar
Arcilla húmeda
Concreto
Caliza
Grava & Arena
Carbón de Piedra
Roca volcánica
Hielo
0.15 a 0.25 ohm-m
2 a 12 ohm-m
40 a 1.000 ohm-m
100 a 10.000 ohm-m
1.000 a 10.000 ohm-m
1.000 a 5.000 ohm-m
10.000 a 50.000 ohm-m
10.000 a 100.000 ohm-m
En resumen, un sistema o red de
tierras debe ofrecer una trayectoria
segura para disipar corrientes
anormales
y
reducir
voltajes
peligrosos a niveles seguros, tanto
para el personal y animales como
para
el
equipo
eléctrico
o
electrónico sensible.
PLAN DE PROTECCIÓN
DE LOS SEIS PUNTOS
CUARTO PUNTO
CREAR UN PLANO DE
TIERRA EQUIPOTENCIAL
UNIÓN EQUIPOTENCIAL
Interconectar todos los Sistemas de Electrodos de
Tierra.
Sistema general de Tierra.
Sistemas de Tierra de Pararrayos.
Sistemas de Tierra de Telecomunicaciones.
Cable para Sistemas de Tierra.
Conectar todos los objetos conductivos internos y
externos de las instalaciones a Tierra.
Proveer una diferencia de potencial lo más cercana
a cero durante transitorios que eleven el potencial.
COMPONENTES PARA LOGRAR UNA UNIÓN
EQUIPONTENCIAL
Barras de tierra, Platos de Tierra y
Receptáculos.
Unión de cercas y mallas.
Mallas y Redes Equipotenciales.
Mallas de Referencia (SRG).
Unión de tuberías metálicas y estructuras
metálicas.
Abrazaderas a tierra.
ATERRIZAR ESTRUCTURA
PASAMUROS
ATERRIZAMIENTO DE CERCAS Y PUERTAS
PLACAS DE TIERRA
BARRA DE TIERRA AISLADA.
Productores
IGZB
P
P:
A:
N:
I:
SURGE PRODUCERS
SURGE ABSORBERS
NON-SURGING
ISOLATED GROUND ZONE
A
N
Conductor del
Electrodo de Tierra
I
Equipo Crítico en la
Zona de Tierra Aislada
ZONA DE TIERRA AISLADA.
Equipo
Electrónico
Barra de Ventana
de Tierra
MBG
Inversor
Batería
Para PC
Para equipo
de prueba
EQUIPOS TELECOMUNICACIONES
ATERRIZADO DE RACKS
ATERRIZADO DE GABINETES
PLAN DE PROTECCIÓN
DE LOS SEIS PUNTOS
QUINTO PUNTO
PROTECCIÓN CONTRA TRANSITORIOS
ENTRANTES POR LOS CIRCUITOS
DE POTENCIA
¿QUÉ ES UN SUPRESOR DE PICOS?
Es un dispositivo destinado a limitar las
sobretensiones transitorias. Este dispositivo
cuenta con al menos un componente no
lineal, algunas veces llamado supresor,
supresor de transitorios, supresor de
sobretensiones o supresor de picos
(conocido por sus siglas en ingles TVSS, o
SPD). Existen supresores para C.A., C.D.,
R.F. etc.
¿QUÉ FUNCIÓN DESEMPEÑA UN SPD?
Un supresor sirve para proteger al equipo
electrónico sensible, de sobretensiones
transitorias, causadas por los efectos
directos o indirectos de las descargas
eléctricas atmosféricas o por las
sobretensiones provocados por maniobras
de interruptores en las redes de distribución
eléctrica.
PUNTOS DE ENTRADA
RIESGO EXPUESTO DESDE UN IMPACTO
DIRECTO EN LA LÍNEA ELÉCTRICA
PROTECCIÓN PRIMARIA Y SECUNDARIA SHUNT/SERIE
PLAN DE PROTECCIÓN
DE LOS SEIS PUNTOS
SEXTO PUNTO
PROTECCIÓN CONTRA TRANSITORIOS
ENTRANTES POR CIRCUITOS DE
COMUNICACIÓN / DATOS
CÓMO UNA DESCARGA DAÑA AL EQUIPO DE
TELECOMUNICACIONES
Entrada directa del rayo.
Entrada Indirecta.
Acoplamiento de Interferencia.
Elevación de los potenciales de tierra y
diferencias de potencial en la tierra.
Malas prácticas de cableado.
RIESGOS DE DESCARGAS REMOTAS
EN LÍNEAS DE REDES
TALLER
CENTRAL DE
CONTROL
BODEGA
SERVICIO AL
CLIENTE 1
SERVICIO AL
CLIENTE 2
INSTALACIÓN ELÉCTRICA
CORRIENTE LIMPIA
CIRCUITOS DE COMUNICACIONES
PROTECCIÓN CONTRA PICOS
PROTECCIÓN EN TELEFONÍA Y LÍNEA DE DATOS
APLICACIÓN EN REDES COMPUTACIONALES
CONCEPTO TÍPICO DE LA PROTECCIÓN
ZONE 0
COARSE
PROTECTION
(Traditional
Spark Gap)
ZONE 1
ZONE 2
ZONE3
FINE
PROTECTION
(MOV based)
EQUIPMENT
PROTECTION
PLAN DE PROTECCIÓN DE SEIS PUNTOS
1.Capturar la descarga atmosférica en un punto
designado
2. Conducir sin riesgo la descarga a tierra en
forma segura
3. Disipar la energía a tierra
4. Crear un plano de tierra equipotencial
5. Proteger contra transitorios entrantes por los
circuitos de potencia
6. Proteger contra transitorios entrantes por los
circuitos de comunicación/datos
1.Capturar el rayo
en un punto determinado
2.Conducir
Energía a Tierra en
forma segura
6. Proteger contra transientes
en líneas de datos/comunic.
5. Proteger Equipos
de transientes en
Líneas de Potencia
3. Disipar la Energía
(Sistema Baja Impedancia)
4. Unión
Equipotencial
GRACIAS
Juan Antonio Herrera C.
hcorrea@tunku.uady.mx