EMC y seguridad para instalaciones: Parte 2

Aug 19, 2023

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".

La primera parte de este artículo introdujo los primeros sistemas de puesta a tierra/conexión equipotencial de protección, que solo tenían requisitos para la seguridad humana. Mostró cómo, a medida que la electrónica se volvió más común y más interconectada y las unidades de motor de velocidad variable aumentaron en potencia, estas primeras estructuras se convirtieron en redes de unión (BN) para proteger la electrónica de daños debido a fallas en el aislamiento y sobretensiones. Los BN de todo el sitio son costosos de crear, por lo que en aquellos primeros días era común proporcionar solo BN para las partes de un sitio donde se instalaron equipos electrónicos. Esto condujo al desarrollo de la red de unión aislada (IBN), que es donde continúa esta Parte 2.

Redes de unión aisladas (IBN)

Una IBN es una BN que está aislada del resto del sistema de conexión equipotencial de protección, excepto en un único punto de conexión (SPC) (consulte la Figura 1).

Figura 1: Un boceto de dos Redes de Unión Aisladas (IBNs)

La idea del IBN es que cuando ocurren fallas o corrientes de rayo en el resto del edificio (o vehículo), su aislamiento evita que esas corrientes fluyan a través de la agradable baja impedancia creada dentro del IBN, lo que ayuda a proteger el equipo que contiene.

La guía habitual es que, con todas sus fuentes de alimentación principales aisladas en los gabinetes de distribución de la IBN y las fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) apagadas, y luego su SPC desconectado temporalmente, una IBN debe poder soportar un voltaje de al menos 10kVDC con respecto al resto del sistema de conexión equipotencial de protección del edificio durante al menos un minuto, sin que fluya corriente en "trayectorias furtivas", incluidas descargas corona, arcos o chispas, una vez que se hayan cargado las capacidades parásitas de la IBN.

(¡No hace falta decir que si se construye una IBN donde podría haber una atmósfera potencialmente inflamable o explosiva, su aislamiento nunca debe probarse con altos voltajes como se describe anteriormente! Además, recuerde siempre volver a conectar los SPC después de las pruebas exitosas de resistencia al voltaje y no vuelva a conectar las fuentes de alimentación principales a ningún equipo dentro de una IBN hasta que su SPC se haya vuelto a conectar correctamente).

Nunca confíe en simplemente apagar los elementos del equipo dentro de un IBN individualmente antes de probar su aislamiento como se describe brevemente anteriormente. Esto se debe a que todos los elementos de los equipos electrónicos están equipados con filtros EMI/RFI que "pierden" miliamperios de corrientes parásitas en el conductor de puesta a tierra de protección en sus cables principales, y no se necesitan muchos de estos elementos para que estas corrientes de fuga se acumulen hasta niveles letales. niveles Los filtros EMI en unidades de velocidad variable (VSD) de alta potencia y otros convertidores de potencia de conmutación pueden filtrar individualmente cientos de mA, incluso amperios, en su tierra protectora.

Estos filtros suelen instalarse antes del interruptor de encendido/apagado de la red, por lo que permanecen encendidos y perdiendo corriente cuando aparentemente el equipo se ha apagado con sus propios controles. Esta es la razón por la cual, antes de probar el aislamiento de voltaje de una IBN, todas sus fuentes de alimentación principales (puede haber más de una) deben aislarse en los gabinetes de distribución de energía de la IBN, y cualquier fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) dentro de la IBN apagado.1

En los viejos tiempos, cada edificio comercial o industrial tenía un administrador eléctrico dedicado, un ingeniero eléctrico calificado que se aseguraba de que nadie comprometiera su sistema de conexión equipotencial de protección o hiciera algo que pudiera causar incendios, descargas eléctricas, falta de confiabilidad, etc., y también supervisaba cualquier/todas las actualizaciones y modificaciones. Estos profesionales expertos mantuvieron los dibujos eléctricos y los conocían como la palma de sus manos.

Pero en estos días es mucho más común no contratar a un administrador eléctrico. En cambio, se contratan subcontratistas adecuadamente calificados cuando se realizan actualizaciones y modificaciones, o para inspecciones anuales. Por supuesto, es posible que no estén familiarizados con la instalación eléctrica de un edificio en particular o su historia. Y, si mi experiencia sirve de guía, es posible que los propietarios u operadores del edificio no se hayan asegurado de que sus planos eléctricos se hayan mantenido actualizados, ¡y es posible que ni siquiera sepan dónde están o qué subcontratista los tuvo por última vez!

En tales situaciones, es posible que los IBN diseñados con mucho cuidado se vean seriamente comprometidos por cambios y modificaciones realizados por personas que desconocen su importancia (o incluso su existencia). Lo he visto suceder incluso en las principales plantas de infraestructura nacional. Todo lo que se necesita para comprometer un IBN es que una persona tienda un cable Ethernet desde su oficina fuera de un IBN a una computadora dentro de un IBN. Las consecuencias de los daños en los equipos, e incluso de los peligros significativos de incendios y descargas eléctricas, especialmente durante una tormenta eléctrica, pueden ser muy graves.

Por lo tanto, es una buena guía general de seguridad y confiabilidad usar CBN y no usar IBN a menos que el edificio o el sitio tenga supervisión las 24 horas del día, los 7 días de la semana, los 365 días del año por parte de ingenieros o técnicos eléctricos competentes empleados permanentemente que entiendan dónde están todos los IBN y cómo ( y por qué) para mantenerlos aislados. Estos ingenieros o técnicos también deben aprobar cualquier cambio en el cableado (incluso los cables Ethernet) y supervisar todo el mantenimiento.

Un CBN es un solo BN que es "común" para todo un edificio (consulte la Figura 2).

Figura 2: Un boceto de una red de enlace común (CBN)

La gran ventaja de un CBN es que los cables de señal/datos pueden colocarse en cualquier parte del edificio, idealmente amarrados a conductores de conexión/metales en toda su longitud para usarlos como PEC, sin tener que realizar ninguna alteración en su sistema de conexión equipotencial de protección. . Esto hace que agregar nuevos equipos en el futuro sea fácil y relativamente económico.

La discusión anterior solo se ha referido a la seguridad humana en lo que respecta a los riesgos de descargas eléctricas y la protección de la electrónica contra daños por sobretensiones transitorias causadas (indirectamente) por rayos. Sin embargo, todos los elementos conductores se comportan como "antenas accidentales".2 Este hecho significa que para una buena compatibilidad electromagnética, todos los conductores y cualquier pieza de metal (que, por supuesto, no son piezas conductoras funcionales en ningún circuito eléctrico/electrónico) deben estar interconectados de modo que ser parte integral de cualquier BN, IBN o CBN, ya sea que estos conductores o piezas de metal tengan algo que ver con la seguridad eléctrica o no.

La electrónica de la computadora inicialmente usaba circuitos que operaban desde rieles de alimentación de 5 V CC, y con señales / datos de bajo voltaje, los voltajes "equiponciales" considerados aceptables entre puntos "tocables" durante fallas y tormentas eléctricas en sistemas de conexión equipotencial de protección eran demasiado altos. Pero el costo de instalar un aislamiento/aislamiento de clasificación adecuada en cada cable de datos, independientemente de cuán corto fuera, habría sido totalmente ridículo.

Entonces, cuando las salas de computadoras y las centrales telefónicas digitales (llamadas Oficinas Centrales en los EE. UU.) comenzaron a construirse en la década de 1970, inventaron soluciones mucho más económicas: MESH‑BN, ‑IBN y ‑CBN. La palabra MESH en el acrónimo se refiere al hecho de que se necesitan múltiples enlaces cruzados para reducir las inductancias en los sistemas de conexión equipotencial de protección lo suficiente como para reducir la exposición de la electrónica digital a daños por sobretensiones por rayos y (en la década de 1990, cuando la Unión Europea la Directiva EMC de la Unión se avecinaba) para ayudar a lograr EMC para sistemas e instalaciones.

Por lo general, estas estructuras adoptan la forma física de "rejillas" o "mallas" regulares de conductores de unión, de ahí su nombre (véanse las Figuras 3 y 4).

Figura 3: Esquema de dos MESH‑BN

Figura 4: Esquema de dos MESH‑IBN

Inicialmente, estas estructuras conductoras en malla se llamaban SRPP (para planos de potencial de referencia del sistema), BM (para tapetes de unión) o una amplia variedad de términos de jerga o propiedad que se pueden encontrar en los documentos de guía de instalación de sistemas informáticos y de telecomunicaciones de las décadas de 1970, 1980 y 1980. 90s.3

La Figura 5 muestra el tipo de diseño de SRPP que se usaba a menudo. Los conductores utilizados para la malla eran generalmente de cobre de 6 mm de diámetro, soldados en sus uniones, pero algunos preferían usar una "cinta relámpago" de cobre ancha debido a su menor inductancia y facilidad de unión utilizando las abrazaderas utilizadas para ese propósito al construir LPS. Algunos instaladores de sistemas informáticos o de telecomunicaciones utilizaron "metalistería natural" en lugar de instalar una malla de cobre, ya sea utilizando la estructura de metal que sostenía las baldosas del piso falso de la computadora como malla, o interconectando las partes posteriores metálicas de las baldosas del piso de la computadora. La figura 6 muestra un desarrollo patentado moderno del último enfoque.

Figura 5: Ejemplo de construcción de un SRPP, de la década de 1990

Figura 6: Un sistema patentado para construir SRPP utilizando losetas de piso falso

Con el paso del tiempo, estos sistemas informáticos crecieron para ocupar más de una habitación, por lo que los MESH-BN o MESH-IBN individuales de las habitaciones tenían que unirse en malla para reducir la "impedancia de sobretensión" de los nuevos BN o IBN combinados que se estaban instalando. creado.

Recuerde que cuando se introdujo la expresión Z = √[R2 + (2 L)2] en la Parte 1 de este artículo, mencioné que esto solo era relevante para conductores muy por debajo de su primer cuarto de onda de resonancia. Ahora necesitamos correlacionar esto con las dimensiones de la malla.

La mayor parte de la energía de los rayos está contenida en el espectro por debajo de 1 MHz, pero aún se considera que tiene una cantidad significativa de energía hasta 10 MHz. La longitud de onda en el aire de 10 MHz es de 30 metros, lo que hace que su resonancia del primer cuarto de longitud de onda sea de 7,5 m. Por lo tanto, un tamaño de malla de 5 m o menos en un lado (en el aire) se considera efectivo contra todas las frecuencias de los rayos, y cuanto menor sea el tamaño de la malla, menor será su inductancia entre dos puntos cualesquiera y menores las sobretensiones transitorias que pueden surgir debido a corrientes de rayo inducidas.

Para una buena EMC, es posible que deseemos que nuestras mallas sean más pequeñas, ya sea para controlar frecuencias superiores a 10 MHz debido a datos informáticos más rápidos o para proporcionar impedancias inferiores a 10 MHz debido a VSD de alta potencia. Por ejemplo, 30 MHz era un objetivo común en los primeros sistemas informáticos y requería dimensiones de malla de alrededor de 600 mm por lado, como se muestra en la Figura 8. Los sistemas informáticos modernos pueden requerir mallas para controlar 100 MHz o más.

La tecnología VSD que era nueva a principios de la década de 1990 podía excitar resonancias estructurales en instalaciones de hasta unos pocos MHz, y esta frecuencia ha ido aumentando constantemente a medida que se han desarrollado dispositivos de conmutación de potencia. Estas frecuencias son más bajas que las utilizadas por los datos informáticos, pero por otro lado, sus niveles son mucho más altos, por lo que el dimensionamiento de un tamaño de malla podría depender más de los VSD utilizados en el sitio que de sus computadoras. Este problema será mucho más importante a medida que la próxima generación de dispositivos de conmutación de energía reemplace los IGBT y los powerFETS de silicio durante la década de 2020.4

Claramente, para poder instalar fácil y rápidamente nuevos sistemas electrónicos o VSD en estos días, ayuda si no tiene que modificar primero la estructura de conexión equipotencial protectora de un edificio (ya sea que esté conectado a tierra con varillas en el suelo o no) para crear MESH‑BN, IBN o CBN. ¡La modificación de las instalaciones existentes para crear redes de unión en malla para equipos nuevos puede costar fácilmente más que el propio equipo nuevo! Después de todo, a menudo tiene que cortar pisos o paredes para llegar a los conductores que deben engranarse.

Además, en las aplicaciones industriales, durante mucho tiempo ha sido sencillo utilizar estructuras de soporte de cables de metal y/o armaduras de cables existentes como PEC. Pero esta ingeniosa medida de ahorro es muy vulnerable a cambios y modificaciones por parte de personas que no son conscientes de que estas estructuras metálicas tienen otra funcionalidad que la mecánica. La creación de una CBN bien engranada ayuda a evitar problemas de falta de confiabilidad y/o EMC que surjan por tales razones.

Por lo tanto, desde mediados de la década de 1990, la recomendación general para todos los sistemas o instalaciones es que las "construcciones nuevas" deben instalar MESH-CBN desde el principio. En general, también se recomienda que los edificios heredados se conviertan a MESH-CBN tan pronto como sea posible, generalmente un proceso gradual a medida que se instalan nuevos equipos.

Estas recomendaciones serán mucho más importantes durante los próximos años, a medida que la nueva generación de convertidores de conmutación de potencia y unidades de motor de velocidad variable basadas en HEMT y powerFETS de SiC discutidos en la Parte 1 de este artículo estén fácilmente disponibles en clasificaciones de alta potencia.

La Figura 7 muestra una malla MESH‑CBN que cubre todo el piso de un edificio, pero, por supuesto, es posible que también necesitemos extenderla en tres dimensiones a otros pisos, y las Figuras 8 a 10 son copias de diapositivas relevantes de mi curso de capacitación sobre EMC para Sistemas e Instalaciones.5

Figura 7: Esquema de una MESH‑CBN

Figura 8: uso de estructuras metálicas "naturales" en un MESH‑CBN tridimensional en todo el edificio

Figura 9: Un boceto desarrollado a partir de una figura en IEC 61000-5-2, que muestra la unión vertical entre MESH-CBN en diferentes pisos de un edificio

Figura 10: Esquema del uso de elementos metálicos "naturales" para unir verticalmente MESH-CBN en diferentes pisos de un edificio

¿Qué pasaría si las comunicaciones inalámbricas digitales de alta velocidad y bajo costo hubieran estado disponibles en la década de 1970? Incluso los sistemas celulares 3G habrían hecho innecesarios los cables de datos en aquel entonces, haciendo innecesarios los BN, IBN y CBN. A medida que crecía la complejidad de los sistemas electrónicos, las comunicaciones de datos inalámbricas habrían seguido el ritmo, primero con 4G y luego con 5G.

Tal vez cuando 5G esté maduro y se demuestre que es sólido en aplicaciones industriales (a pesar de los altos niveles de interferencia que a menudo se asocian con los procesos industriales), simplemente conectaremos módems 5G en tomas USB 3 para transportar Ethernet industrial, sin necesidad de datos. cables, por lo que no se necesitan costosos MESH‑BN, ‑IBN o ‑CBN. Las redes de conexión equipotencial/puesta a tierra de protección aún serían necesarias para la seguridad humana, pero nada más complejo que los tipos originales esbozados en la Figura 1 de la Parte 1 de este artículo: una gran reducción en el uso del costoso cobre.

Una especulación similar se refiere a la fibra óptica de bajo costo. Si hubiéramos tenido fibra óptica moderna de bajo costo funcionando a 25 Mb/s en la década de 1970, habrían sido preferibles a los cables de cobre (con todos los problemas de EMC creados por sus comportamientos inevitables de "antena accidental").

En estos días, cuando la gente me pide ayuda para solucionar problemas de interferencia de datos con cables entre elementos de equipos en sistemas/instalaciones científicas/industriales, recomiendo cada vez más que reemplacen sus cables de datos de cobre con "módems" de fibra óptica conectados por (metal -libres) cables de fibra óptica. El costo de los sistemas de fibra óptica está cayendo constantemente y sus velocidades de datos aumentan constantemente, y usarlos en lugar de cables de cobre evita la necesidad de crear MESH‑BN, ‑IBN o ‑CBN.

Aunque el costo de una solución de fibra óptica puede ser de unos pocos cientos o miles de dólares estadounidenses, se requiere muy poco tiempo para la instalación. Aunque la creación de un MESH-BN, MESH-IBN o MESH-CBN puede parecer al principio que cuesta menos, es casi seguro que costará mucho más en general cuando se toman en cuenta los costos de mano de obra, sin importar los costos de la producción perdida mientras estos se están llevando a cabo modificaciones intrusivas.

Además, si bien es casi seguro que la solución de fibra óptica funcionará a la primera (¡nadie con experiencia real garantiza nada en lo que respecta a EMI!), convertir una instalación heredada en MESH‑BN, ‑IBN o ‑CBN puede ser un poco de apuesta. La instalación de unión en malla en edificios heredados requiere mucho trabajo y requiere mucho tiempo, pero optar por una opción de menor costo podría resultar en tener que hacerlo todo de nuevo. Por ejemplo, el tamaño de la malla depende de qué tan baja debe ser la impedancia general y la frecuencia más alta que debe controlar, y esto a menudo no se entiende tan bien como podría ser.

Además, ¿la estructura de malla resultante estará preparada para el futuro, o será necesario modificarla nuevamente cuando se actualice o reemplace el equipo existente, o cuando se instalen nuevos equipos cerca dentro de unos años? Incluso reemplazar equipos defectuosos con nuevas versiones del mismo producto del mismo fabricante inevitablemente causa problemas de ruido cada vez mayores a frecuencias cada vez más altas.

Este problema surge porque las versiones más nuevas inevitablemente usan dispositivos de conmutación de energía más nuevos y microprocesadores más nuevos que cambian más rápidamente, ¡ya sea que queramos o necesitemos que lo hagan, o no! Los semiconductores originales más lentos simplemente ya no están disponibles para los fabricantes, cuyos productos tienden a volverse cada vez más ruidosos a frecuencias cada vez mayores, incluso cuando siguen cumpliendo con los estándares de emisiones relevantes.

En términos generales, para obtener la mejor EMC con los costos generales más bajos, ahora y en el futuro, los cables de cobre solo deben usarse para (¡bien filtrados!) CA o CC. Y todas las señales, los datos y los controles deben utilizar cables de fibra óptica (sin metales) o enlaces de datos inalámbricos confiables e industrialmente probados.

emcredes de puesta a tierrakeith armstrongseguridad

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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