EMC y seguridad para instalaciones: Parte 1

Jan 23, 2024

Nota del editor: en este artículo, las palabras "tierra", "puesto a tierra" o "puesta a tierra" se usan indistintamente con "tierra", "puesto a tierra" o "puesta a tierra".

A medida que crece la cantidad y variedad de equipos electrónicos utilizados en sistemas e instalaciones, EMC se está convirtiendo en un tema cada vez más importante. Casi todo mi trabajo en sistemas e instalaciones desde 1990 ha estado relacionado con elementos del equipo que interfieren con el correcto funcionamiento de otros elementos en el mismo sitio.

En 1990, las unidades de motor de velocidad variable que usaban transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y transistores de efecto de campo de potencia (PowerFET) para la conmutación de potencia de alta velocidad eran muy nuevas, al igual que los sistemas de radio móviles privados, y ambos causaron muchos problemas con la electrónica heredada. equipo. Desde entonces, las normas y regulaciones de EMC en la mayoría de los países han mejorado considerablemente las emisiones y la inmunidad de los equipos, pero al mismo tiempo, los variadores de velocidad del motor han mejorado constantemente, al cambiar más rápido. Una conmutación más rápida los hace más eficientes, más pequeños y menos costosos, con el resultado de que se utilizan mucho más ampliamente. Desafortunadamente, cambiar más rápido provoca un aumento de las emisiones de ruido a frecuencias más altas, lo que aumenta las posibilidades de interferir con otros equipos (consulte la Figura 1).

Los sistemas e instalaciones en cuestión no son solo terrestres, ya que todas las nuevas embarcaciones marinas y submarinas ahora utilizan tecnologías de accionamiento de motor eléctrico exclusivamente. Todavía tienen enormes motores diésel marinos, pero impulsan enormes generadores de electricidad en lugar de estar conectados directamente a las hélices. Los automóviles eléctricos ya están probados en uso y una industria en crecimiento, por supuesto, y los aviones totalmente eléctricos están en el tablero de dibujo.

En este momento se está produciendo otro gran salto tecnológico en la conmutación de convertidores de potencia: la sustitución de IGBT y PowerFET por transitores de alta movilidad de electrones (HEMT), generalmente basados ​​en nitruro de galio, GaN, y con PowerFET de carburo de silicio (SiC), que pueden conmutar eficientemente diez veces. (o más) tarifas más altas, reduciendo el tamaño y el costo aún más.

Todas estas son buenas noticias para mejorar la eficiencia energética, ahorrar en las facturas de energía y ayudar a salvar el planeta al reducir las emisiones de CO2. Pero viene con la gran penalización de EMC de niveles más altos de emisiones de ruido a frecuencias más altas, como ilustra la Figura 1.

Figura 1: Ejemplo ilustrativo de espectros de ruido creados por motores de velocidad variable y equipos convertidores de potencia de conmutación similares con potencias nominales de alrededor de 100 kW, que tienen diferentes tecnologías de dispositivos de conmutación de potencia

Muchos convertidores de conmutación de mayor potencia, como los controladores de motor de velocidad variable, se suministran con instrucciones de instalación relativas a EMC, que suelen ser bastante buenas. Sin embargo, mi experiencia (y la experiencia de otros en el mundo de EMC) es que los vendedores compiten en precio ignorando los requisitos de instalación de EMC de nuevos sistemas de accionamiento de motor para ayudar a ganar contratos con clientes que no se dan cuenta de los riesgos de EMI.

Nadie quiere invertir en la construcción de una nueva planta industrial, instalación de investigación científica, plataforma de petróleo/gas en alta mar, sistema ferroviario, complejo de entretenimiento, centro de datos, buque militar, crucero o lo que sea, solo para descubrir que no puede funcionar correctamente. debido a EMI autogenerado! Las pérdidas financieras pueden ser bastante impresionantes, pero incluso pueden ser superadas por el costo de modificar la planta, la plataforma, el buque, etc., para que funcione según lo previsto.

Al igual que con todos los demás problemas de EMC/EMI, es mucho más rentable y financieramente menos riesgoso diseñar un buen EMC desde el comienzo de cualquier proyecto de construcción moderno.

Tim Williams y yo coescribimos un libro sobre EMC para sistemas e instalaciones en 2000 [1]. Describe edificios y sitios, pero su material se extiende fácilmente para cubrir vehículos de todo/cualquier tipo, terrestres, marítimos, submarinos, aéreos (ala fija o helicóptero), espaciales, etc.

Entre muchos otros temas, este libro cubre el diseño y la construcción de los diversos tipos de (los llamados) sistemas/redes de "puesta a tierra" utilizados en grandes sistemas e instalaciones, que incluyen:

Este artículo de dos partes proporciona algunos antecedentes sobre estas "redes de conexión a tierra" que no se proporcionan en el libro. Muestra cómo y por qué, en las últimas décadas, han tenido que evolucionar desde sus esquemas originales de puesta a tierra de un solo punto por seguridad, hasta estructuras en malla para administrar EMC de manera rentable para minimizar los costos de producción perdida y el tiempo de inactividad debido a EMI. , incluidos los rayos.

Las estructuras metálicas y otras estructuras conductoras en edificios y vehículos, incluido todo el cableado y cableado, pueden sufrir corrientes de falla causadas por fallas en el aislamiento en sus equipos de suministro de energía y redes de distribución, y por sobrecorrientes transitorias causadas por rayos.

A medida que las corrientes transitorias de falla o sobretensión fluyen a través de las impedancias de estas estructuras metálicas y otros conductores, crean calor y diferencias de potencial que podrían causar quemaduras y descargas eléctricas a las personas.

En atmósferas inflamables o explosivas, las altas temperaturas pueden provocar incendios o explosiones, al igual que los arcos o chispas que se pueden crear cuando aparecen diferencias de potencial entre los espacios.

En la terminología de las normas de seguridad IEC, un sistema de conexión equipotencial de protección es la estructura conductora total creada al interconectar todas las partes metálicas "tocables" que podrían causar descargas eléctricas a las personas debido a fallas en el aislamiento o a los efectos indirectos de los rayos2 (consulte la Figura 2).

Figura 2: Esquema de un sistema de unión equipotencial de protección muy básico

"Tocable" significa partes metálicas/conductoras que están al alcance simultáneo de cualquier parte del cuerpo de una persona. Esto incluye, por ejemplo, gabinetes de equipos u otras estructuras conductoras a ambos lados de una pasarela que estén lo suficientemente cerca como para que las yemas de los dedos de las manos izquierda y derecha de una persona las toquen al mismo tiempo.

Por lo general, se considera que "equipotencial" significa, para entornos secos, que la diferencia de potencial continua máxima no supera los 25 V CA rms a la frecuencia de alimentación de red de 50 Hz o 60 Hz, o no supera los 60 V CC. Se pueden permitir valores máximos más altos para diferencias de potencial a corto plazo y/o sobretensiones transitorias inducidas por rayos.

Es importante comprender que los valores anteriores son generales y que los valores reales considerados lo suficientemente seguros pueden variar de un estándar a otro y de un país a otro, y generalmente se especifican en valores mucho más bajos donde los ambientes pueden ser húmedos o húmedos o la piel podría estar sudorosa, porque la resistencia de la piel humana es menor en tales situaciones.3

A menudo se olvida que "tocable" también incluye las carcasas de los conectores de acoplamiento y los cables blindados que se extienden por muchos metros extienden efectivamente el alcance de una persona por la longitud del cable. Un buen amigo mío se cayó de una escalera muy alta cuando desconectó un cable de audio de un amplificador montado en el techo en un cine y, debido a que una mano estaba en el amplificador y la otra en el conector de metal del cable desconectado, recibió una fuerte descarga eléctrica. . La caída le rompió la pierna, y en eso tuvo mucha suerte.

Las diferencias de potencial máximas permitidas para la "equipotencialidad" se logran asegurando impedancias suficientemente bajas en todo un sistema de conexión equipotencial de protección. La impedancia en serie (Z) de un conductor largo (muy por debajo de su resonancia del primer cuarto de longitud de onda) es:

Z = √[R2 + (2πf L)2]

Dónde:

R = resistencia en serie en ohmios L = inductancia en serie en Henries f = frecuencia en Hertz

Para 50 Hz y 60 Hz, la impedancia de la mayoría de las estructuras conductivas prácticas está dominada por el término R en la ecuación anterior. Sin embargo, la mayor parte de la energía en los transitorios de sobretensiones de rayos se encuentra en la región del espectro hasta 1 MHz, y por encima de unos pocos kHz, la mayoría de los conductores Z están dominados por el término 2πf L. Por lo tanto, las impedancias en serie de los conductores ordinarios (p. ej., los que se utilizan para unir equipos en sistemas de conexión equipotencial de protección) se vuelven predominantemente inductivos por encima de unos pocos kHz, lo cual es importante para la protección contra rayos (y para EMC, ver más adelante).

Las fuentes de alimentación de red siempre están protegidas por dispositivos de protección contra sobrecorriente, como fusibles. En el caso de una falla de aislamiento del sistema de conexión equipotencial de protección, las corrientes de falla resultantes son mucho más altas que las corrientes normales de la red eléctrica, por lo que la protección contra sobrecorriente opera para eliminar la energía del conductor con el aislamiento defectuoso, generalmente en 1 segundo.

Las estructuras metálicas y los conductores en sistemas de conexión equipotencial de protección correctamente diseñados, construidos y mantenidos tienen resistencias lo suficientemente bajas como para no causar descargas eléctricas. Esto casi siempre significa que todas sus partes constituyentes tienen suficiente masa de conductor y área de sección transversal (CSA) para garantizar que, en el tiempo que tarda la protección contra sobrecorriente en operar y detener el flujo de corriente desde la parte o el conductor defectuoso, ninguno de sus las partes se calentarán lo suficiente como para quemar la piel de las personas. Por lo general, el aumento de temperatura en el peor de los casos podría sentirse en la mano como un ligero aumento por encima de la temperatura ambiente.4

Las corrientes transitorias de sobretensiones de rayos indirectos pueden ser tan altas como 10s de kA, pero sus duraciones son tan cortas, de unos pocos microsegundos, que su efecto de calentamiento en sistemas de conexión equipotencial de protección adecuadamente construidos también es insignificante. Sin embargo, este no es necesariamente el caso de los sistemas de protección contra rayos (LPS).

Donde pueden estar presentes atmósferas inflamables o potencialmente explosivas todo o parte del tiempo, existen requisitos adicionales para la "unión equipotencial" para reducir las diferencias de potencial máximas entre diferentes partes metálicas. Esto no es para reducir los riesgos de descargas eléctricas, sino para reducir el riesgo de chispas que provoquen incendios y explosiones. Estos no se tratan aquí, pero están muy bien especificados en las normas pertinentes.

Para edificios en tierra, es habitual conectar esta estructura de unión interconectada a electrodos de tierra (conductores enterrados en el suelo debajo y/o alrededor del edificio) creando así un "sistema de unión equipotencial de protección puesto a tierra". 5

Es importante comprender que la conexión a tierra (es decir, la conexión a los electrodos de tierra) no siempre es necesaria o deseable para protegerse contra los peligros de descargas eléctricas. Por ejemplo, incluso los vehículos con distribuciones de red de 230 V CA a bordo no necesitan conexión a tierra (en el sentido estricto de la palabra) para estar seguros. ¡Y tratar de proporcionarles conexiones directas a los electrodos de tierra no sería muy exitoso!

De hecho, la única razón para conectar un sistema de conexión equipotencial de protección al suelo debajo y/o alrededor de un edificio es que si las personas entran o salen de un edificio al mismo tiempo que cae un rayo cercano a tierra, o para el edificio, la sobretensión transitoria que se crea entre el edificio y su entorno (p. ej., aceras, caminos, escalones, escaleras, pórticos, etc.) no es tan alta como para causarles lesiones por descarga eléctrica.6

En todos los equipos no médicos que cumplen con las normas de seguridad IEC para suministros de red de 230 V CA rms, los cables de alimentación y los convertidores de alimentación de red están aislados y galvánicamente aislados para soportar sobretensiones causadas por sobretensiones transitorias de rayos de hasta al menos 3 kV rms, 4,24 kV pico , repetido durante muchos años. (Los estándares de seguridad de equipos médicos generalmente requieren voltajes soportados más altos).

Hace mucho, mucho tiempo, los equipos eléctricos y electrónicos eran solo una caja en el extremo de un cable de alimentación. Para tales equipos, era suficiente el sistema de conexión equipotencial de protección, puesto a tierra o no según fuera fijo o móvil.

Sin embargo, los cables de señal/datos que conectan diferentes elementos del equipo dentro de una instalación pueden ser largos, lo que los expone a diferencias de potencial mucho mayores. Cuando dichos cables comenzaron a usarse con más frecuencia para interconectar equipos que estaban más separados, se consideró que el costo, el tamaño y el peso de aislarlos y aislarlos a los mismos niveles que se usaban para los cables de red era demasiado alto. Entonces, se desarrollaron redes de unión (BN).

La falta de fiabilidad de la electrónica debido a los efectos de los rayos (¡en un radio de 5 km aproximadamente!) es, por ejemplo, la razón por la que los transmisores y receptores de Ethernet siempre usan transformadores de aislamiento de datos, de modo que las personas puedan instalar fácilmente Ethernet en edificios heredados que tenían conexión equipotencial de protección. estructuras como las que se muestran en la Figura 2 (alambres largos desde cada pieza de metal hasta la barra principal de unión o puesta a tierra). Estos tipos de instalaciones heredadas sufrían de altas impedancias por encima de unos pocos kHz, lo que las hacía incapaces de controlar los voltajes transitorios de picos de rayos que podrían ocurrir entre dos elementos de equipo conectados por un cable de señal/datos.7

Esta es la jerga IEC para una parte de un sistema de unión equipotencial de protección que utiliza unión cruzada adicional de sus conductores y otra estructura metálica para reducir su impedancia general, de modo que las amplitudes de los transitorios de sobrevoltaje que pueden surgir entre los elementos del equipo que están ubicados muy separados, causados ​​por relámpagos, son lo suficientemente bajos como para permitir el uso de aislamiento/aislamiento asequible en cables de señal y datos (normalmente, la mitad del voltaje máximo requerido para el aislamiento de los suministros de red, y sin el requisito de suministro de red para galvánico). aislamiento.)

Para lograr una impedancia inductiva suficientemente baja de hasta 1 MHz, se requiere que las longitudes de los conductores de unión sean inferiores a un metro. Esto no se puede lograr confiando en los conductores de protección en los cables de alimentación del equipo, porque las barras principales de unión (o conexión a tierra) a las que finalmente se conectan estos conductores suelen estar a diez o más metros de distancia, incluso en un edificio pequeño como una casa doméstica. En un bloque de oficinas o planta industrial, las distancias pueden ser de varias decenas de metros.

A veces vemos la impedancia de los conductores en las frecuencias asociadas con los eventos de rayos denominados "impedancia de sobretensión". Este es un concepto de dominio de tiempo basado en las formas de onda de prueba de sobretensiones creadas por "generadores de onda combinados" como los especificados por IEC 61000-4-5. Las impedancias de sobretensión no son relevantes para EMC a frecuencias superiores a unos pocos MHz.

La unión cruzada de conductores y otras estructuras metálicas tiene un fuerte efecto en la reducción de las impedancias inductivas en una BN. Para obtener la mejor protección a los costos más bajos, los conductores de unión cruzada deben seguir las rutas (idealmente, deben estar atados) a los propios conductores de señal/datos, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Un boceto de dos redes de unión (BN)

IEC 61000-5-2 [3] llama a los conductores de unión cruzada que siguen las rutas de los cables de señal/datos "conductores de puesta a tierra de protección" (PEC), y describe cómo se puede usar la estructura metálica existente, a menudo llamada "metalería natural". para reducir los costos de implementarlos. Por ejemplo, en aplicaciones industriales y comerciales, los cables suelen estar sostenidos por conductos y bandejas de cables de metal, que se pueden convertir en PEC muy efectivos simplemente uniéndolos eléctricamente entre sí y al chasis/marcos de los diferentes elementos del equipo cuyos cables transportan. .8

Por lo general, una BN consta de una habitación individual en un edificio donde hay cables de señal/datos que necesitan protección debido al equipo electrónico contenido en esa habitación. Donde hay dos o más BN individuales, están interconectados, al menos mediante conexiones individuales a la barra de unión principal, como se muestra en la Figura 3. (Si la barra de unión principal se usa para conectar las BN directamente a los electrodos de tierra enterrados en el suelo bajo y/o alrededor del edificio, se denomina "barra principal de conexión a tierra").

Una pregunta que siempre surge es si los conductores de unión cruzada deben estar clasificados para transportar las corrientes de falla completas que pueden surgir debido a fallas de aislamiento en las redes de distribución y las fuentes de alimentación principales de 50 o 60 Hz. La respuesta es que, en los casos en los que un sistema de conexión equipotencial de protección cumpla con los requisitos de seguridad modernos (y se mantenga para garantizar el cumplimiento continuo) de modo que durante tales fallas, no se sobrecaliente lo suficiente como para sufrir daños, incluido cualquier aislamiento, entonces la unión cruzada no tendrá que estar clasificada para transportar corrientes de falla de red. Incluso los blindajes de los cables unidos eléctricamente en ambos extremos (la única forma de hacerlos blindar correctamente en RF, consulte [1], [3]) no deben dañarse por una falla de red en un sistema de seguridad de protección correctamente conectado.

Sin embargo, es posible que muchos sistemas de conexión equipotencial de protección heredados no cumplan con los requisitos de seguridad modernos sin modificaciones extensas y costosas, y se sabe que algunos propietarios o usuarios de edificios antiguos utilizan un enfoque de "no hay evidencia de un problema" para evitar tales costos.

Cuando se le pida que trabaje para un propietario o usuario de este tipo, le recomiendo que rechace el trabajo a menos que se le permita (¡y le paguen!) hacer un "trabajo adecuado" en términos de seguridad. Nunca subestime la capacidad de los asesores legales para culpar de un incendio costoso o letal o de una electrocución a alguien que no sea su cliente, incluso yendo en contra del sentido común de que "todos saben".9

Con el tiempo, los sistemas se han vuelto más grandes, los variadores de velocidad se han vuelto más grandes y más comunes, y ahora se están creando sistemas de sistemas, lo que significa que los cables de señal/datos tienen que abarcar dos o más BN (p. ej., redes informáticas, sistemas de control de iluminación , sistemas de aire acondicionado, etc.). Estos BN, por lo tanto, tienen que unirse entre sí para crear BN más grandes, y en última instancia unir todo el edificio y crear una red de unión común, o CBN.

Pero los CBN pueden ser costosos de adaptar a edificios o vehículos heredados, por lo que el concepto BN se desarrolló para crear el IBN: red de unión aislada. Discutiremos eso en la Parte 2 de este artículo.

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Después de trabajar como diseñador electrónico, luego como gerente de proyectos y gerente del departamento de diseño, Keith fundó Cherry Clough Consultants en 1990 para ayudar a las empresas a reducir los riesgos financieros y los plazos de los proyectos mediante el uso de buenas prácticas comprobadas de ingeniería de EMC. Durante los últimos 20 años, Keith ha presentado muchos documentos, demostraciones y cursos de capacitación sobre buenas técnicas de ingeniería de EMC y sobre EMC para seguridad funcional en todo el mundo, y también ha escrito muchos artículos sobre estos temas. Preside el Grupo de trabajo del IET sobre EMC para seguridad funcional y es el experto designado por el gobierno del Reino Unido para los comités de IEC que trabajan en 61000-1-2 (EMC y seguridad funcional), 60601-1-2 (EMC para dispositivos médicos) y 61000-6-7 (Norma genérica sobre CEM y Seguridad Funcional).

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