El campo magnético del rayo induce tensión en los lazos que forman los cables de control, protección y comunicaciones. IEC 62305-4 lo reduce de dos maneras: blindaje espacial de la zona, con mallas de ancho menor de 5 m, y blindaje y trazado de los cables, con canalizaciones metálicas unidas a tierra y lazos de área pequeña. El factor de apantallamiento SF mide, en decibelios, cuánto atenúa una malla el campo.
Respuesta corta. Cuando cae un rayo, el campo magnético que genera atraviesa los lazos que forman los cables de control, protección y comunicaciones y los equipos que unen, e induce en ellos una tensión que puede dañar la electrónica. IEC 62305-4 baja esa tensión por dos caminos que pueden combinarse: blindaje espacial, que atenúa el campo dentro de la zona, y blindaje y trazado de las líneas, que reduce el campo que llega a cada cable y el área del lazo.
Por qué el trazado importa
La tensión inducida en un lazo es proporcional a la rapidez con que cambia el campo magnético y al área del lazo. Para un lazo rectangular de ancho b y largo l dentro de una zona con campo homogéneo, IEC 62305-4 (Anexo A.5, Ecuación A.34) da la tensión de circuito abierto máxima como:
UOC/MAX = μ0 × b × l × H1/MAX / T1
donde μ0 es 4π × 10⁻⁷ Vs/(Am), H1/MAX es el campo máximo en la zona y T1 es el tiempo de frente del campo. Reducir a la mitad el ancho o el largo del lazo reduce a la mitad la tensión. Por eso el trazado cuenta tanto como el blindaje.
La norma ilustra cuatro situaciones en su Figura A.5: un sistema sin protección, con un gran lazo entre el cableado de señal y el de potencia; un blindaje espacial que reduce el campo dentro de la zona; las líneas blindadas, que reducen la influencia del campo sobre ellas; y un trazado que reduce el área del lazo.
Blindaje espacial de una zona
Un blindaje espacial define una zona protegida que puede cubrir toda la estructura, una parte, un solo local o solo la carcasa del equipo. Puede ser continuo o en rejilla, o estar formado por los componentes naturales de la estructura. La norma lo recomienda cuando resulta más práctico proteger una zona que varios equipos, y advierte que debe preverse en la planificación inicial: la adaptación posterior es más cara y difícil.
En la práctica, los blindajes de gran volumen se forman con el acero de refuerzo de techos, muros y pisos, la estructura metálica, las cubiertas y las fachadas metálicas (Figura A.3). Para que sea eficaz, el ancho de malla debe ser típicamente menor de 5 m. Lo ideal es unir las varillas con soldadura o abrazadera en cada cruce; como en estructuras grandes no es posible, un enfoque práctico es conectar aproximadamente cada 1 m. Si la zona la forma un SPCR normal de la parte 3, con mallas mayores de 5 m, el efecto de blindaje puede despreciarse. En las zonas interiores siguientes se logra blindaje con racks o armarios metálicos cerrados, o con la carcasa metálica del equipo.
Factor de apantallamiento SF
La Tabla A.3 da la atenuación de una rejilla frente a una onda plana, en decibelios:
| Material | 25 kHz (primer rayo positivo) | 1 MHz (rayos subsiguientes) o 250 kHz (primer rayo negativo) |
|---|---|---|
| Cobre o aluminio | SF = 20 × log(8,5 / wm) | SF = 20 × log(8,5 / wm) |
| Acero (permeabilidad relativa ≈ 200) | SF = 20 × log[(8,5 / wm) / √(1 + 18 × 10⁻⁶ / rc²)] | SF = 20 × log(8,5 / wm) |
Aquí wm es el ancho de malla en metros y rc el radio de las varillas de la rejilla, en metros. Si la fórmula da un valor negativo, SF vale cero. Si hay además una red de unión mallada según la cláusula 5.2, SF aumenta en 6 dB. El campo dentro de la zona es H1 = H0 / 10^(SF/20) (Ecuación A.11).
Un ejemplo de la propia norma: una rejilla de cobre con ancho de malla de 2 m da SF = 12,6 dB. El campo se divide por unas 4,3 veces. Con la red de unión mallada, SF sube a unos 18,6 dB, y la reducción es de unas 8,5 veces.
Volumen de seguridad
Cerca del blindaje, el campo es alto porque por él circulan corrientes parciales del rayo. Por eso los sistemas internos se instalan dentro de un volumen de seguridad que guarda una distancia ds de la pared del blindaje (Figura A.4). Para un blindaje de la LPZ 1 en caso de impacto directo, ds/1 = wm × SF / 10 si SF ≥ 10, y ds/1 = wm si SF < 10. Para el caso de impacto cercano, la norma da las mismas relaciones con ds/2. En el ejemplo de wm = 2 m y SF = 12,6 dB, la distancia de seguridad resulta de unos 2,5 m. Los equipos sensibles no deben ubicarse dentro de esa franja.
Blindaje y trazado de líneas internas
Cuando no se dispone de un blindaje espacial efectivo, o además de él, la norma pide:
- Tender los cables cerca de las partes metálicas de la red de unión, conectadas a tierra. Es útil llevarlos dentro de canalizaciones metálicas de la red, como conduits en U o bandejas metálicas.
- Llevar juntos los cables de potencia y de señal, para que el lazo entre ellos sea pequeño. Aun así puede necesitarse cierta distancia entre las líneas de potencia y las de señal sin blindaje para evitar interferencia.
- Usar cables blindados o canalizaciones metálicas cerradas, cuyas pantallas se unen a tierra por ambos extremos. Las secciones de una canalización se interconectan bien entre sí, con tornillos o con tiras distribuidas en el perímetro para mantener baja su impedancia.
- Tener cuidado cerca del blindaje de la zona, sobre todo de la LPZ 1, donde el campo es mayor.
Entre estructuras separadas, los cables deben ir en canalizaciones metálicas unidas por ambos extremos a las barras de unión de cada estructura. Si las pantallas de los cables, unidas en ambos extremos, pueden llevar la corriente parcial del rayo prevista, no se necesitan canalizaciones adicionales. Para líneas externas que entran a la estructura, el blindaje ayuda, aunque con frecuencia no lo decide quien planifica las SPM, porque las líneas son del operador de la red.
En una instalación existente, el Anexo B.11 recomienda evitar alimentar equipo nuevo desde la red existente cuando eso cree un lazo grande, y llevar adyacentes las líneas de potencia y de señal. Cuando hay más de 10 m entre una línea de señal y un equipo electrónico en áreas generales, la norma recomienda líneas balanceadas con puertos de aislamiento galvánico, como acopladores ópticos o transformadores de aislamiento de señal.
- Medir el lazo. Largo y ancho del lazo entre cables de potencia, señal y equipo
- Acercar los cables a la red de unión. Bandeja o canalización metálica unida a tierra
- Juntar potencia y señal. Se reduce el área del lazo
- Blindar si el campo sigue alto. Cable blindado o canalización cerrada, con pantalla unida en ambos extremos
- Instalar el equipo dentro del volumen de seguridad. Lejos de la pared del blindaje
Materiales del blindaje
En la frontera entre la LPZ 0A y la LPZ 1, los blindajes (rejillas, pantallas de cables, carcasas) cumplen los requisitos de la parte 3 de la norma: el espesor mínimo de chapas, canalizaciones y pantallas de la Tabla 3 y la disposición y sección de las rejillas de la Tabla 6. No se exige ese dimensionamiento si el blindaje no está pensado para llevar corriente del rayo: en las fronteras de LPZ 1/2 o superiores, si se cumple la distancia de separación de la parte 3, o en cualquier frontera, si el número de eventos peligrosos por rayos sobre la estructura es despreciable (ND menor de 0,01 por año).
Dónde se aplica en una subestación o una planta
Los cables de control, protección, medición y comunicaciones de una casa de control o una sala de celdas recorren lazos entre tableros, bandejas y equipos. El trazado y el blindaje de esos cables, junto con la red de unión y los DPS, hacen parte del diseño secundario. La inmunidad de los equipos se trata en compatibilidad electromagnética de la aparamenta y EMC y apantallado de variadores.
Guías de la misma serie
Las medidas SPM se agrupan en medidas SPM contra el LEMP. El campo magnético y la tensión inducida que justifican el blindaje se calculan en campo magnético y tensión inducida en un lazo; la red de unión, en red de unión equipotencial y tierra en 3D, y el caso de edificios ya construidos, en SPM en estructuras existentes.
Cuándo llamarnos
El factor de apantallamiento y la tensión inducida dependen del edificio, de la malla, del trazado de cada cable y del nivel de protección. Si está diseñando una sala de control o revisando una con fallas de comunicación o mediciones erráticas durante tormentas, nuestro equipo de diseño de ingeniería y estudios puede acompañarle en el diseño secundario y en la puesta a tierra. Escríbanos por contacto.
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Referencias
- IEC 62305-4:2010, Protection against lightning, Part 4: Electrical and electronic systems within structures: cláusula 6 (blindaje magnético y trazado de líneas), Anexo A.3 (Figuras A.3 a A.5, Tabla A.3), Anexo A.4 (Ecuaciones A.5, A.11 y A.15) y Anexo A.5 (Ecuación A.34), Anexo B.11.
- IEC 62305-3:2010, Tablas 3 y 6.
Preguntas frecuentes
¿Qué es el factor de apantallamiento SF de una malla metálica?
Es la atenuación del campo magnético que produce un blindaje en rejilla, en decibelios. En IEC 62305-4, Tabla A.3, para cobre o aluminio vale 20 × log(8,5 / wm), con wm el ancho de malla en metros. El campo dentro de la zona es el campo exterior dividido por 10 elevado a SF/20. Si el resultado es negativo, SF se toma como cero.
¿Cuándo es efectivo un blindaje en rejilla contra el campo del rayo?
Cuando el ancho de malla es típicamente menor de 5 m. La norma indica que el efecto del blindaje puede despreciarse si la zona se forma con un SPCR normal de la parte 3, con mallas y distancias típicas mayores de 5 m. Un edificio grande con estructura de acero y muchas columnas sí aporta un blindaje significativo.
¿Cómo se reduce la tensión inducida en un cable de control?
Reduciendo el área del lazo que forma, o atenuando el campo que lo atraviesa. Se tienden los cables cerca de las partes metálicas conectadas a tierra, se llevan juntos los cables de potencia y de señal, se usan cables blindados con pantalla unida a tierra en ambos extremos o canalizaciones metálicas cerradas, y se instalan los equipos sensibles dentro de un volumen de seguridad alejado de la pared del blindaje.