05 octubre 2012

Guía de diseño de sistemas de puesta a tierra en plantas industriales (5ª PARTE)




Ver 4ª PARTE

Puesta a tierra de protección frente a la estática y rayos

Las plantas industriales que manejan disolventes, materiales pulverulentos, u otros productos inflamables a menudo tienen condiciones de operación potencialmente peligrosas debido a la acumulación de carga estática en el equipo, en los materiales que están siendo manejados, o incluso en el personal de operación.
La descarga de una carga estática a tierra u otros equipos en presencia de materiales explosivos es a menudo la causa de incendios y explosiones.
La solución simple del equipo individual de puesta a tierra no siempre es la solución al problema y no siempre es posible en muchos procesos. Cada instalación se estudiará de forma que se seleccione el método de control adecuado.
La protección de la vida humana es el objetivo principal para el control de las cargas electrostáticas. Además del peligro directo para la vida y propiedad cada año.
La solución simple del equipo individual no es siempre la solución al problema y no siempre es posible en muchos procesos. Cada instalación se estudiará para seleccionar el método de control más apropiado.
La protección de la vida humana es el primer objetivo en el control de las cargas electrostáticas. Adicionalmente al peligro directo para la vida de explosión o fuego creado por una descarga electrostática, hay posibilidad de daños al personal.
Otro objetivo de controlar la electricidad estática es evitar:
a)      Pérdidas en inversiones, edificios, equipamiento y materiales almacenados.
b)      Pérdidas de producción, trabajadores ociosos y penalizaciones (real o intangible).
Evitando las pérdidas por medio del control electrostático conseguimos buenas garantías. Las interferencias magnéticas eléctricas emanando de las descargas eléctricas pueden causar interferencias con equipos electrónicos sensibles, incluyendo equipos de control y comunicaciones.
Un motivo adicional para implementar un control electrostático efectivo puede ser asegurar la calidad del producto. Por ejemplo, las cargas estáticas en operaciones de pulido pueden obstaculizar el grado de finura deseada en el producto terminado. En ciertas operaciones textiles las cargas estáticas pueden originar que las fibras queden en el extremo en vez de quedar planas, resultando un producto de inferior calidad.
El manejo material por chutes, transportadores, o conductos acumula cargas estáticas, causando que el material se adhiera a la superficie de tolvas o conductos y por lo tanto se obstruyen las aperturas o cree una fricción incrementada que desgaste las superficies. Las cargas estáticas en personas pueden resultar en daños en componentes electrónicos sensibles o corrupción de datos valiosos. Los problemas de estática en la fabricación de circuitos impresos se controlan teniendo al personal puesto a tierra con resistencias que van de 1 – 5 Mohmios.

Puesta a tierra para la protección contra el rayo

La puesta a tierra para la protección contra el rayo está relacionada con el control de las corrientes de descarga en la atmósfera. La función del sistema de puesta a tierra de los rayos es transportar estas corrientes de descarga con seguridad a tierra sin incurrir en diferencias de potencial perjudiciales a través del aislamiento eléctrico en los sistemas de potencia industriales, sin sobrecalentar los conductores de puesta a tierra de los rayos, y sin la descomposición disruptiva del aire entre los conductores de tierra de descarga de rayos, y sin la descomposición disruptiva del aire entre los conductores de tierra del rayo y otros elementos metálicos de la estructura.
Debe realizarse una evaluación del riesgo para determinar si la protección contra el rayo debe instalarse o no. La evaluación del riesgo debe considerar:
a)      Ocupación humana.
b)      Factores de exposición/estructural afectando la seguridad.
c)       Tipo de construcción.
d)      Uso y valor de contenidos.
e)      Grado de exposición y aislamiento.
f)       Factores de factibilidad.
g)      Frecuencia de tormentas.
h)      Área de puesta a tierra cubierta.
Los rayos representan una fuente de sobrevoltaje. Son capaces de descargar un potencial de un millón y medio de voltios o más en un objeto. La corriente en la descarga directa puede ser tan alta como 200 000 A.
La presencia de una fuente de tensión de tal magnitud enfatiza la necesidad de altas capacidades de descarga en los descargadores de sobretensiones y baja impedancia en los cables de conexión. La protección frente al rayo consiste en colocar terminales o elementos desviadores en la parte superior o alrededor de la estructura protegida, y conectándolas a un conductor a tierra.
El conductor debe tener una capacidad para transportar corriente y no incluye porciones de alta resistencia o alta reactancia o conexiones y presentaría la menor impedancia posible a tierra. No debe haber curvas o bucles pronunciados en los circuitos de tierra de protección contra sobretensiones. El radio de las curvas será tan grande como sea posible, ya que curvas pronunciadas incrementan la reactancia del conductor. La reactancia es mucho más crítica que la resistencia, debido a la muy alta frecuencia del frente de la sobretensión.
Los golpes de rayos remotos pueden inducir peligrosas sobretensiones en cables cercanos, pueden causar disfuncionamientos de circuitos de control, y pueden causar interferencia electrónica. Los descargadores de sobretensión y condensadores de sobretensión, apropiadamente aplicados, pueden reducir los efectos de sobretensiones inducidas. Las corrientes de tierra causados por los golpes de rayos pueden causar grandes diferenciales de potencial entre diferentes puntos de tierra, causando altas corrientes en la envoltura del cable y altos voltajes entre conductores de fase de cable y tierra.

Zona de protección

Tradicionalmente se ha considerado un cono de protección con un ángulo entre 45 y 60 º desde el terminal de aire vertical dependiendo de la probabilidad de protección deseada. Cualquier área bajo la línea imaginaria dibujada desde la parte superior del terminal de aire, en el ángulo del grado de protección buscado, se considera protegido de los efectos e un rallo. Otras normas (ANSI/NFPA 780-1992) usan una esfera imaginaria. El radio de esta esfera es de 45 m. Con la esfera descansando en dos puntos, cualquier área bajo la esfera se considera está en la zona de protección. Para mejorar el grado de probabilidad de protección, el radio decrece.
Hay varios métodos para proteger contra el rayo, tales como:
a)      Terminal de aire de Franklin.
b)      Caja de Faraday.
c)       Early emission (ionizing) streamer.
d)      Eliminador, disuasivo, esfera, bola.

Terminales de aire

Los terminales de aire Franklin se conectan a los conductores para constituir una caja de Faraday. El terminal de aire Frankling y la caja de Faraday se combinan para formar un sistema completo. El terminal de aire de Franklin y la caja de Faraday se combinan para formar y sistema completo y se les refiere por varios términos, sistema de terminal de aire, caja de Faraday y/o el método Franklin o el concepto Fortress. Las estructuras de acero, adecuadamente puestas a tierra, cumplen los requerimientos anteriores con la adición de terminales de aire. Típicamente los terminales de aire están espaciados entre 6 m y 7,6 m aparte del borde de la estructura y 15 m en el interior del tejado. Las conexiones cruzadas se hacen a 45 m. En una estructura de acero, los conductores por tierra deben proporcionar al menos dos trayectorias a tierra para el rayo en cualquier terminal de aire.

Early emission ionizing streamer

La tecnología de conductor de rayos de ionización data de 1914. Una patente fue emitida en 1931. En 1953 Alphonse Capart, el hijo del inventor, mejoró el mecanismo. Los primeros dispositivos de protección contra el rayo ionizing-streamer se consideraron dispositivos dinámicos comparados con el cono de Franklin o la caja de Faraday. Se usan fuentes radiactivas para obtener la ionización del aire alrededor de la punta del terminal de aire. La teoría dice que el terminal de ionización radiactiva produce una elevación del chorro de aire. Esta columna actúa como un terminal de aire extendido reduciendo la tensión o, si el potencial es suficiente, se proporciona un streamer conductivo. El efecto es un terminal de aire de Franklin con una gran zona de protección. Dos conductores por tierra se requieren para cada mástil de ionización.

Eliminator, deterrent, system

Se trata de un método controvertido que existe desde hace muchos años. El montaje en cada terminal de aire es una disposición de pinchos emanando del centro del terminal de aire. La teoría es disipar la carga. Su éxito depende del uso efectivo del concepto de caja de Faraday y excelentes prácticas de puesta a tierra.
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