En algunos esquemas de grandes instalaciones eléctricas es usual ver en indicaciones sobre algunos cables y estructuras el nombre “PEC”.
En este post veremos de que se trata y como afecta a la Compatibilidad Electromagnética (CEM) … (Leer más)
Las mejores prácticas de CEM en instalaciones (según la norma IEC 61000-5-2) requieren el uso de bandejas metálicas de cables, conductos y conductores de gran sección conectados a tierra como los conductores de tierra paralelos PEC (“Parallel Earth Conductor”) para desviar las corrientes de retorno lejos de los cables y sus blindajes. También se le llama PEN (“Protective Earth and Protective and Neutral conductor”) o CPN. Se le define como conductor puesto a tierra que asegura, al mismo tiempo, las funciones de conductor de protección y conductor neutro.
La primera función de un conductor de tierra paralelo (PEC) es desviar las corrientes de retorno no deseadas en los bucles de las pantallas presentes en cables apantallados. Dado que las corrientes de tierra suelen ser de 50 Hz, y las sobretensiones producidas por los rayos tienen usualmente un ancho de banda por debajo de los 10 kHz, es conveniente para este cometido tener un conductor PEC con baja impedancia y con suficiente capacidad de transporte de corriente. Esta capacidad de transporte depende principalmente de su baja inductancia, además de una baja resistencia, para asegurar la baja impedancia.
El propósito de un conductor PEC es reducir la corriente en modo común que circula por los conductores próximos, los que independientemente también podrían llevan la señal (o no) en modo diferencial (se reduce la impedancia en modo común y el área de la superficie del bucle formado). El conductor PEC transporta la mayor parte de la corriente en modo común y debe formar una “estructura” continua, buena conductora en toda su longitud. Cuando un conductor PEC se instala correctamente, los requisitos de CEM para los circuitos que funcionan en modo diferencial son menos estrictos.
El conductor PEC debe estar diseñado para manejar las corrientes de retorno cuando se usa para protección contra rayos o para el retorno de corrientes inducidas en las pantallas de cables de potencia o para el retorno de las corrientes en caso de fallo. Debe considerarse que a través del conductor PEC pueden circular corrientes de retorno en las instalaciones industriales de alta y baja tensión, o corrientes en caso de fallos de red o cuando el conductor PEC también forma parte del sistema de protección contra rayos.
Es conveniente posicionar los cables apantallados junto a elementos metálicos estructurales (envolturas, chasis, racks o cajas) para aumentar el efecto de apantallamiento junto a un conductor PEC en paralelo, conectándolo en cada extremo al terminal de tierra local del equipo o de la instalación.
Siempre se deben conectar a tierra las estructuras metálicas de los equipos o instalaciones por razones de seguridad. Por estas estructuras nunca deben circular corrientes de retorno de ninguna señal o línea de potencia. Todas las señales o líneas de potencia deben tener sus propios conductores de retorno de corriente de las señales correspondientes.
Las corrientes que circulan en un sistema de puesta a tierra son fundamentalmente de 50 Hz, pero en algunas situaciones también se debe tener en cuenta que pueden tener armónicos de 50 Hz. Si estas corrientes pueden desviarse por varios caminos, prefieren circular por el camino de menor impedancia, es decir, de menor inductancia. Por lo tanto, los conductores PEC necesitan tener una inductancia y resistencia muy bajas.
Los eventos transitorios generalmente involucran frecuencias considerablemente más altas que las corrientes de 50 Hz. Como se ha dicho, los rayos tienen ancho de banda alrededor de los 10 kHz, pero pueden involucrar frecuencias de hasta 500 kHz. El funcionamiento de los interruptores en los circuitos de muy alta tensión puede crear picos de corriente de 250 kA a 500 kHz. Los fallos de conexión a tierra concentran casi toda su energía en la frecuencia de red de 50 Hz, pero cualquier arco durante el fallo, o en los interruptores automáticos, puede tener frecuencias de bastantes MHz. A estas frecuencias, la ruta de menor impedancia es la ruta de inductancia mínima.
Por lo tanto, para reducir los niveles de las corrientes transitorias que circulan por la pantalla de un cable, el conductor PEC debe tener una inductancia mucho menor que la pantalla del cable protegido, y también debe tener una alta inductancia mutua con la pantalla (logrado por el conductor PEC al seguir la ruta paralela al cable protegido, al estar los dos muy cerca).
Los conductores PEC también proporcionan un mejor control de las corrientes en modo común de alta frecuencia asociadas con las señales deseadas transportadas por los cables, reduciendo así la diafonía con otros cables, la integridad de la señal, las emisiones radiadas y la susceptibilidad del equipo.
Cuando una serie de pantallas de cables están unidas en ambos extremos a los mismos elementos de una instalación, pueden actuar como su propio conductor PEC. Aunque cada pantalla tiene una resistencia relativamente alta y una inductancia alta, varias pantallas conectadas en paralelo se reparten las corrientes de pantalla entre ellas y puede no ser necesario el uso de un conductor PEC separado.
El objetivo de tener un sistema de puesta a tierra como una referencia absoluta de tensión se consigue sólo en teoría. Se habla de una superficie “equipotencial” cuando se pretende cumplir con el objetivo ideal de tener una diferencia de potencial de 0V entre dos puntos cualesquiera de la superficie. Sin embargo, estrictamente, el concepto de potencial es aplicable solamente a la electricidad estática y a la corriente continua.
En la práctica, la inducción hace que la tensión entre dos puntos cualquiera sea siempre mayor de cero. En el voltímetro B de la figura, la trayectoria seguida por los terminales lleva a medir una tensión mayor a los casi 0V del voltímetro A. Asimismo, las interconexiones entre equipos, localizados a alguna distancia unos de otros, y dependiendo de que tengan alguna referencia común, pueden ser trazadas como en el voltímetro A o como en el voltímetro B. La tensión inducida en el bucle del voltímetro B puede producir un aumento en la tensión de referencia, lo cual dependerá del trazado real.
Esta situación ya existe en los sistemas de puesta a tierra de 50 Hz. En teoría, solamente una superficie plana buena conductora, grande y sólida, puede ser considerada como una referencia de tensión. Los terminales del voltímetro A se mantienen cercanos al plano de referencia, y la diferencia de potencial indicada por el voltímetro es muy baja. Los terminales largos del voltímetro B permiten la inducción de una tensión indeseada en el bucle más grande y la diferencia de potencial medida es mayor.
Las reglas presentadas seguidamente son buenas prácticas para mejorar la CEM en las instalaciones:
- Mantener los circuitos en modo diferencial cercanos a elementos conectados a tierra.
- Se permiten bucles de tierra si se trata de sistemas de puesta a tierra mallados.
- En sistemas de puesta a tierra mallados, debe instalarse un conductor PEC, puesto a tierra en los dos extremos en paralelo a los cables entre los aparatos. Este conductor de tierra en paralelo (PEC) debe transportar la mayor parte de la corriente perturbadora y apartarla de los cables de la instalación.
- Cuando está presente más de una pantalla, la pantalla exterior es el conductor PEC, y es la que debe conectarse a tierra en los dos extremos. Las pantallas interiores también deben conectarse a tierra en un extremo o en los dos extremos, aunque en algún caso crítico podría ser necesario conectar alguna pantalla en un solo extremo.
Es vital asegurar que no haya interrupciones en la continuidad eléctrica de ninguna armadura utilizada como conductor PEC. Tradicionalmente, los instaladores de cables consideran incorrectamente las armaduras (armarios, bandejas, envolturas, racks, conductos metálicos, etc) simplemente como guías reforzadas mecánicas o de protección. Incorrectamente, muchas veces no unen las armaduras entre ellas y a veces tampoco las unen con la tierra local en ambos extremos. Para reducir las corrientes de bucle que circulan en los cables debido a los campos magnéticos (que pueden ser extremadamente intensos en la proximidad de algunos procesos industriales, como el calentamiento por inducción, electrólisis o la agitación magnética, por ejemplo), los cables deben posicionarse muy cerca del metal de su conductor PEC, a lo largo de sus caminos por la instalación.
En los conductores PEC también pueden circular altas frecuencias. La figura muestra una variedad de tipos de conductores PEC, y los clasifica en función de sus prestaciones a alta frecuencia. El mejor comportamiento a alta frecuencia es un tubo metálico de acero inoxidable o de hierro galvanizado protegiendo el cable. El peor es un simple cable de gran sección como conductor PEC que solo es efectivo hasta la frecuencia de 1 kHz.
Las bandejas metálicas de cables generalmente están perforadas con ranuras para facilitar la fijación de los cables, pero esto puede perjudicar su buen comportamiento a alta frecuencia. El problema es que las ranuras interrumpen el flujo de corriente y, por lo tanto, aumentan la impedancia de la estructura. La mejor bandeja metálica para las altas frecuencias es una bandeja sólida.
Las bandejas metálicas de cables generalmente están perforadas con ranuras para facilitar la fijación de los cables, pero esto puede perjudicar su buen comportamiento a alta frecuencia. El problema es que las ranuras interrumpen el flujo de corriente y, por lo tanto, aumentan la impedancia de la estructura. La mejor bandeja metálica para las altas frecuencias es una bandeja sólida.
Se deben evitar las ranuras perpendiculares a la dirección de la bandeja y las ranuras en las esquinas. Siempre se deben conectar las bandejas metálicas a tierra, para evitar un peor comportamiento.
Las columnas y las vigas de acero estructural en un edificio equipado con una malla de tierra equipotencial no se pueden usar como conductores PEC, pero disponer los cables adosados a ellas ayuda a la disminución de los problemas de CEM. Debido a que la geometría afecta a su impedancia, a alta frecuencia, las diferentes posiciones relativas a la estructura tendrán comportamientos diferenciados. Pasar los cables por dentro de las estructuras metálicas huecas es la mejor técnica, pero puede ser difícil de instalar y no es fácil de mantener.
En la práctica, posicionar los cables en los ángulos internos de las columnas o las vigas es la mejor solución. La peor posición es a lo largo del borde de la pestaña.
Cuando hay muchos cables, para que todos puedan posicionarse correctamente, el cable más ruidoso debe posicionarse en un ángulo, y el más sensible debe posicionarse separadamente en otro ángulo. Los cables menos agresivos o los menos sensibles deben usar las rutas menos protegidas.
Las uniones y terminaciones de los conductores PEC se deben unir utilizando métodos apropiados para las frecuencias que se deban controlar. Las bandejas metálicas de cables y los conductos rectangulares necesitan realizar conexiones eléctricas directamente a la pared de los armarios (debajo, arriba o atrás) usando diversas fijaciones conductoras. El conducto redondo puede unirse a la pared del armario con prensaestopas circulares, sin olvidar primero quitar la pintura (para garantizar una buena unión eléctrica de la pantalla a 360°) y aplicar luego protección contra la corrosión. Los conductores PEC necesitan terminales de tierra de tamaño y posición apropiados. Los conductos de plástico, aunque tengan un revestimiento conductor, obviamente no son adecuados en instalaciones y, si se utilizan, requieren el uso de un cable PEC de mucha sección dentro de ellos para manejar las corrientes.
Debido a su construcción abierta, los sistemas de soporte de cables tipo escalera o cesto son pobres como conductores PEC, excepto en el control de las perturbaciones a 50 Hz. Incluso entonces pueden no tener una sección transversal de metal lo suficientemente grande, por lo que puede ser también necesario usar un cable PEC.
Recordemos que los conductores PEC deben estar unidos eléctricamente a tierra en sus dos extremos, a todas sus estructuras de soporte y a cualquier otra estructura metálica con conexión a tierra en cada oportunidad disponible. Esto es para que ayuden a crear una estructura de tierra mallada supuestamente equipotencial. Cuanto más densa es esta malla (“bonding”) de tierra la diferencia de potencial entre sus puntos más extremos será menor.
Para distancias muy largas, se recomiendan conexiones adicionales del conductor PEC al sistema de puesta a tierra a intervalos, tal vez irregulares, entre los aparatos. La distancia del intervalo debería ser menor de l/4, siendo l la longitud de onda de la mayor frecuencia de la señal de circula por los cables de señal. Estas conexiones extras proporcionan una trayectoria de retorno temprano a través del conductor PEC para las corrientes perturbadoras. Para conductos en forma de U, pantallas y tubos, las conexiones adicionales de puesta a tierra deberán hacerse en el exterior, preservando la separación con el interior.
REFERENCIAS
· Keith Armstrong, “The benefits of applying IEC 61000-5-2 to cable screen bonding and earthing”, Cherry Clough Consultants
· Tim Williams & Keith Armstrong, “CEM For Systems and Installations”, Newnes, 2000
· Keith Armstrong, “Good EMC Engineering Practices in the Design and Construction of Fixed Installation”, REO UK LTD
· Norma IEC 61000-5-2
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