NORMA CUBANA IEC 61000-5-2 TR3:2003 (Publicada por la IEC, 1997)
COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) – PARTE 5: DIRECTRICES DE INTALACIÓN Y ATENUACIÓN – SECCIÓN 2: PUESTA A TIERRA Y CABLEADO (IEC 61000-5-2 TR3:1997, IDT)
Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 5: Installation and mitigation guidelines – Section 2: Earthing and cabling
ICS 33.100
1a Edición
(mes) 2003
REPRODUCCIÓN PROHIBIDA Oficina Nacional de Normalización (NC) Calle E No. 261 Vedado, Ciudad de La Habana. Teléf.: (+537) 830-0835. Fax: (+537) 33-8048. E-mail:
[email protected]
NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
II
Prefacio La Oficina Nacional de Normalización (NC) es el Organismo Nacional de Normalización de la República de Cuba y representa al país ante las Organizaciones Internacionales y Regionales de Normalización. La preparación de las Normas Cubanas se realiza generalmente a través de los Comités Técnicos de Normalización. La aprobación de las Normas Cubanas es competencia de la Oficina Nacional de Normalización y se basa en las evidencias de consenso. Esta Norma Cubana: •
Ha sido elaborada por el NC/CTN 65: Compatibilidad Electromagnética y Radiointerferencia del Comité Electrotécnico Cubano (CEC), integrado por especialistas de las entidades siguientes: –
–
Empresa de Desarrollo Agroindustrial, EDAI
–
Empresa Waldo Díaz
–
Ministerio de la Construcción, Empresa de Servicio de Aseguramiento de la Calidad, ESAC
–
Ministerio de Educación Superior –
Instituto de Ciencias Médicas Victoria de Girón
–
Centro de Neurociencias
–
Ministerio de las Fuerzas Armadas
–
Ministerio de la Industria Básica, Unión Nacional Eléctrica, UNE
–
Ministerio de la Informática y las Comunicaciones
–
•
Ministerio del Azúcar
–
Agencia de Control y Supervisión, ACS
–
Empresa de servicio de Aseguramiento de la Calidad, ESAC
–
Instituto Central de Investigación Digital, ICID
Ministerio del Interior –
Centro de Investigación y Desarrollo Técnico, CIDT
–
Dirección de Informática, Comunicaciones y Cifras, DICC
El Reporte Técnico NC IEC 61000-5-2 TR3:2003 adopta de forma idéntica el Reporte Técnico IEC 61000-5-2 TR3:1997 “Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 5: Installation and mitigation guidelines – Section 2: Earthing and cabling”. Edición 1.0, 1997–11.
© NC, 2003. Todos los derechos reservados. A menos que se especifique, ninguna parte de esta publicación podrá ser reproducida o utilizada en alguna forma o por medios electrónicos o mecánicos, incluyendo las fotografías o microfilmes, sin el permiso escrito de: Oficina Nacional de Normalización (NC). Calle E No. 261, Vedado, Ciudad de La Habana, Habana 4, Cuba. Impreso en Cuba.
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
CONTENIDO Página
PREFACIO ...........................................................................................................................4 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................6 Cláusula
1
Alcance ..........................................................................................................................8
2
Referencias normativas ..................................................................................................8
3
Definiciones ...................................................................................................................8
4
Consideraciones generales de EMC en la instalación de los sistemas de puesta a tierra y cableado...........................................................................................................11
5
4.1 Generalidades .....................................................................................................11 4.2 EMC y requisitos de seguridad (aislamiento) de la instalación ..............................12 4.3 Equipos y puertos de instalación ..........................................................................12 Puesta a tierra y equipotencialización ...........................................................................12
6
5.1 Requisitos concernientes a la seguridad ..............................................................12 5.2 Requisitos concernientes a la EMC ......................................................................13 5.3 Diseño de los sistemas de puesta a tierra ............................................................14 Equipotencialización .....................................................................................................20
7
6.1 Generalidades .....................................................................................................20 6.2 Planchuelas de equipotencialización ....................................................................21 6.3 Conexiones .........................................................................................................22 6.4 Equipotencialización de equipos específicos ........................................................23 6.5 Procedimientos para los usuarios.........................................................................24 Cables y alambres ........................................................................................................25 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6
8
Generalidades .....................................................................................................25 Circuitos de modo común y diferencial, impedancia de transferencia Z t ................26 Juego de reglas de EMC para los cables y el cableado ........................................28 Tipos de cables y el uso de ellos con respecto a la EMC ......................................30 Tipos de conductor de tierra en paralelo (PEC) ....................................................31 Conexión y puesta a tierra de cables y conductores paralelos puestos a tierra ...................................................................................................................34 7.7 Ruteo general de los cables.................................................................................35 7.8 Haces de cables ..................................................................................................38 7.9 Cables que sirven puertos de potencia .................................................................39 7.10 Cables que sirven puertos de señal y de control ...................................................40 Métodos adicionales de atenuación de interferencias ....................................................43
9
8.1 Reactancia de ferrita de modo común ..................................................................43 8.2 Separación eléctrica ............................................................................................44 Métodos de ensayo y medición .....................................................................................46 9.1 9.2
Puesta a tierra y equipotencialización ..................................................................46 Cables e instalación ............................................................................................47
61000-5-2 TR3 IEC:1997 Figuras
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003 Página
1
Demostración de la falacia del concepto de “equipotencialización” como una regla universal, especialmente a las altas frecuencias ...................................................12
2
Vista esquemática en planta de un electrodo de tierra típico ..........................................14
3
Concepto erróneo de electrodo de tierra “dedicado”, “independiente” o “segregado” .......14
4
El concepto de un solo electrodo de tierra .....................................................................15
5
Configuración recomendada para los electrodos de tierra y la red de puesta a tierra ......15
6
Lazos que involucran cables de señal y la red de puesta a tierra ...................................16
7
Esquema tridimensional de la proposición recomendada para la red de puesta a tierra.............................................................................................................................17
8
Principios generales para la equipotencialización de varios aparatos o sistemas a la red de puesta a tierra ....................................................................................................18
9
Representación simplificada de una planchuela de equipotencialización ........................20
10 Una representación más realista de una planchuela de equipotencialización instalada .......................................................................................................................21 11 Planchuelas de equipotencialización típicas ..................................................................22 12 Inductancia relativa de conductores planos y redondos ..................................................22 13 Inductancia relativa de planchuelas de equipotencialización redonda, plana y doble de la misma sección transversal total ............................................................................22 14 Ejemplo de una conexión removible protegida de una planchuela de equipotencialización ......................................................................................................23 15 Ejemplo de conexión óptima de un cable apantallado a la envolvente por medio de un prensaestopas que proporciona una conexión de 360 grados ....................................24 16 Esquema de los chasis interconectados con planchuelas de equipotencialización y cables de señal .............................................................................................................24 17 Circuito de modo diferencial y circuito de modo común para un sistema desbalanceado de transmisión de señal ........................................................................26 18 Efecto de la configuración de un conductor de puesta a tierra en paralelo sobre la impedancia de transferencia para cables coaxiales ........................................................31 19 Ranuras en conductos y bandejas portacables ..............................................................32 20 Configuración recomendada para bandejas portacables con derivaciones ......................33 21 Posición recomendada de los cables, en paralelo a una viga en H, desde el punto de vista de la EMC.............................................................................................................33 22 Penetración de un cable apantallado a través de una pared de una envolvente ..............34 23 Bandeja con partición....................................................................................................37 24 Ejemplo de escalonamiento para conductos o bandejas .................................................37 25 Topología de circuitos que contienen interruptores ........................................................40 26 Conexión indeseable de un cable coaxial ......................................................................42 27 Implementaciones típicas de las reactancias de ferrita de modo común..........................43 28 Limitaciones de la efectividad de un transformador de segregación ................................45 29 Acoplamiento parásito a altas frecuencias .....................................................................45
61000-5-2 TR3 IEC:1997 Figuras
–3–
NC IEC 61000-5-2 TR3:2003 Página
A
Ejemplos de implementación de sistemas y cables de puesta a tierra ............................48
B
Aplicación de la teoría del cable para reforzar la EMC: Comportamiento de Z t para tipos diferentes de cables .............................................................................................54
C
Beneficios de conductores adicionales paralelos a un cable ..........................................62
D
Bibliografía ...................................................................................................................67
Figuras
Página
A.1
Ejemplo de topología para un sistema híbrido de puesta a tierra .................................49
A.2
Gabinete de EMC para la protección de aparatos electrónicos sensibles .....................50
A.3
Sistema de puesta a tierra para un accionamiento con convertidor y la electrónica asociada ....................................................................................................................51
A.4
Configuración de puesta a tierra para un sistema de suministro electroenergético con sistemas asociados de control electrónico y de supervisión ..................................51
A.5
Configuración inicial de los cables de fuerza y de control ............................................52
A.6
Diseño mejorado mediante conexiones adecuadas de las pantallas.............................53
B.1
Transporte desbalanceado de señales ........................................................................54
B.2
Comportamiento de Z’t en función de la frecuencia para distintas configuraciones (a), (b), (c) y (d) .........................................................................................................55
B.3
Sistema desbalanceado de transmisión conectado a tierra en un extremo ...................56
B.4
Sistema balanceado de transmisión ............................................................................56
B.5
Trayectorias de las corrientes en un cable coaxial ......................................................57
B.6
Tensión de modo-diferencial indicada por un campo magnético en un cable con pantalla trenzada .......................................................................................................58
B.7
Corrientes en el conductor exterior de un cable coaxial ...............................................59
B.8
Un cable de 2 conductores perturbado por un conductor cercano a la tensión U ext .......61
C.1
Cables coaxiales con conductores de tierra en paralelo ..............................................62
C.2
Cable coaxial con dos conductores exteriores .............................................................63
C.3
Impedancia de transferencia en un par apantallado balanceado ..................................64
C.4
Ejemplo de impedancia de transferencia en función de la frecuencia para un conducto de aluminio .................................................................................................65
C.5
Inductancia mutua y campo magnético para un conducto o una bandeja portacables ................................................................................................................65
C.6
Cubiertas aisladas sobre un conducto.........................................................................66
61000-5-2 TR3 IEC:1997
–4–
NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
COMISIÓN ELECTROTÉCNICA INTERNACIONAL ____________
COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA – Parte 5: Directrices de instalación y atenuación – Sección 2: Puesta a tierra y cableado PREFACIO 1) La IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) es una organización de alcance mundial para la normalización que incluye a todos los comités electrotécnicos nacionales (Comités Nacionales IEC). El objetivo de la IEC es promover la cooperación internacional en todas las cuestiones concernientes a la normalización en las esferas eléctricas y electrónicas. Con este fin y además de otras actividades, la IEC publica Normas Internacionales. La preparación de estas se confía a Comités Técnicos; cualquier Comité Nacional IEC interesado en un tema puede participar en este trabajo preparatorio. También pueden participar en esta preparación las organizaciones internacionales, gubernamentales y no gubernamentales que hayan establecido enlace con la IEC. La IEC colabora estrechamente con la Organización Internacional para la Normalización (ISO) según las condiciones determinadas por un acuerdo entre las dos organizaciones. 2) Las decisiones o acuerdos formales de la IEC sobre materias técnicas expresan, tan exactamente como resulte posible, un consenso internacional de opinión sobre los temas correspondientes, dado que cada comité técnico tiene la representación de todos los Comités Nacionales interesados. 3) Los documentos producidos tienen la forma de recomendaciones para uso internacional y se publican en forma de normas, informes técnicos o guías y es en este sentido que son aceptados por los Comités Nacionales. 4) Para promover la unificación internacional, los Comités Nacionales IEC se encargan de aplicar las Normas Internacionales de la IEC en sus normas nacionales y regionales en la forma más exacta posible. Cualquier divergencia entre la Norma IEC y la correspondiente norma nacional o regional se indicará claramente en estas últimas. 5) La IEC no proporciona un procedimiento de marcaje para indicar su aprobación y no puede hacérsele responsable de cualquier equipo declarado como conforme con una de sus normas. 6) Se llama la atención acerca de la posibilidad de que algunos de los elementos de esta Norma Internacional pueden ser sujetos de derechos de patente. La IEC no se hará responsable de la identificación de cualquiera de estos derechos de patente, o de todos.
La tarea principal de los Comités técnicos de la IEC es preparar normas internacionales. En circunstancias excepcionales, un comité técnico puede proponer la publicación de un reporte técnico de uno de los tipos siguientes: –
tipo 1, cuando no se puede obtener el apoyo requerido para la publicación como una norma internacional, a pesar de los esfuerzos realizados;
–
tipo 2, cuando el tema está todavía bajo desarrollo técnico o donde, por cualquier otra razón, hay una futura, pero no inmediata posibilidad, de que se acuerde como una Norma Internacional;
–
tipo 3, cuando un comité técnico ha recopilado datos de diferente tipo los cuales son publicados normalmente como una Norma Internacional, por ejemplo “tecnologías de avanzada”.
Los reportes técnicos de tipo 1 y 2 están sujetos a revisión dentro de los tres años posteriores a su publicación para decidir si pueden ser transformados en Normas Internacionales. Los reportes técnicos de tipo 3 no tienen que ser revisados necesariamente hasta que los datos que brindan no se consideren más como válidos o útiles.
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
El IEC 61000-5-2, el cual es un reporte técnico de tipo 3, ha sido preparado por el comité técnico 77 de la IEC: Compatibilidad electromagnética. El texto de este reporte técnico ha sido realizado sobre la base de los siguientes documentos: Comité de redacción
Informe de votación
77B/168/CDV
77B/183/RVC
Una información completa de la votación para la aprobación de este reporte técnico se puede hallar en el informe de la votación indicado en la tabla anterior.
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
INTRODUCCIÓN La IEC 61000-5 forma parte de la serie IEC 61000, de acuerdo con la siguiente estructura: Parte 1:
Generalidades Consideraciones generales (introducción, principios fundamentales) Definiciones, terminología
Parte 2:
Entorno Descripción del entorno Clasificación del entorno Niveles de compatibilidad
Parte 3:
Límites Límites de emisión Límites de inmunidad (en tanto no caigan bajo la responsabilidad de los comités de producto)
Parte 4:
Técnicas de ensayo y medición Técnicas de medición Técnicas de ensayo
Parte 5:
Directrices de instalación y atenuación Directrices de instalación Métodos de atenuación y dispositivos
Parte 6:
Normas genéricas
Parte 9:
Miscelánea
Cada parte está dividida además en secciones, las cuales se publican como normas internacionales o como reportes técnicos. Estas secciones de la IEC 61000-5 serán publicadas en orden cronológico y numeradas conforme a esto. Las recomendaciones presentadas en este reporte técnico se dirigen a la EMC, no a los aspectos de la seguridad de la instalación ni a la transportación eficiente de la energía eléctrica dentro de la instalación. No obstante, estos dos objetivos primordiales son tenidos en consideración en las recomendaciones referentes a la EMC. Estos dos objetivos primarios pueden ser implementados sin conflicto conjuntamente con un realce de la EMC de los aparatos o sistemas sensibles instalados por la aplicación de las prácticas recomendadas presentadas en este reporte técnico y los requisitos de seguridad pertinentes tales como los de la IEC 60364. Como cada instalación es única, es responsabilidad del diseñador seleccionar las recomendaciones más apropiadas a una instalación en particular, con la correspondiente implementación por el instalador.
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Es importante hacer notar que las recomendaciones presentadas en este reporte técnico no buscan excluir las prácticas de instalación existentes, cuando ellas han mostrado que funcionan satisfactoriamente. No serán necesarios métodos de atenuación especiales cuando los equipos satisfacen las normas de inmunidad y emisión aplicables. En particular, algunas prácticas de instalación tales como una “Red en estrella” o “Red equipotencial segregada” para la puesta a tierra están basadas en diferentes proposiciones de EMC que se han hallado satisfactorias para instalaciones específicas cuando son correctamente aplicadas y la topología mantenida por especialistas competentes. Sin embargo, las proposiciones recomendadas aquí son de aplicación más general en todos los tipos de instalaciones, especialmente cuando se intercambian señales entre diferentes aparatos. Las cláusulas 1-3 proporcionan la información general usual de los documentos IEC 61000 sobre EMC. La cláusula 4 proporciona un resumen e introducción de los procedimientos generales para aplicar los conceptos de EMC en el diseño de instalaciones. La cláusula 5 proporciona recomendaciones en el diseño e implementación de los sistemas de puesta a tierra, incluyendo el electrodo de tierra y la red de puesta a tierra. La cláusula 6 proporciona información básica en el diseño e implementación de la conexión equipotencial a tierra o al sistema de puesta a tierra para aparatos o sistemas. La cláusula 7 proporciona recomendaciones en la selección, montaje, y prácticas de conexión para cables usados en el suministro de energía en baja tensión a.c. y d.c., para entrada y salida de señal de control y comando, así como aquellas usadas para otras comunicaciones dentro de los locales. La cláusula 8 proporciona información sobre las técnicas de atenuación relacionadas. La cláusula 9 proporciona información sobre los métodos de ensayo y verificación. Los anexos informativos proporcionan información sobre los conceptos de apoyo, incluyendo citas bibliográficas, de las que se han sacado las recomendaciones de este reporte técnico.
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COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA – Parte 5: Directrices de instalación y atenuación – Sección 2: Puesta a tierra y cableado
1
Alcance
Este reporte técnico (tipo 3) comprende directrices para la puesta a tierra y el cableado de sistemas eléctricos y electrónicos e instalaciones, dirigidas a garantizar la compatibilidad electromagnética (EMC, siglas en inglés) entre aparatos o sistemas eléctricos y electrónicos. En particular, atañe a las prácticas de puesta a tierra y a los cables usados en instalaciones industriales, comerciales y residenciales. Este reporte técnico está destinado para el uso por instaladores y usuarios, y en alguna medida, por fabricantes de instalaciones y sistemas electrónicos y eléctricos sensibles, y equipos con altos niveles de emisión que pueden degradar el entorno electomagnético total (EM). Se aplica principalmente a nuevas instalaciones, pero donde sea económicamente factible, puede aplicarse a ampliaciones o modificaciones de facilidades existentes.
2
Referencias normativas
IEC 60050(161):1990, Vocabulario electrotécnico internacional (IEV, siglas en inglés) – Capítulo 161: Compatibilidad electromagnética IEC 60050(826):1982, Vocabulario electrotécnico internacional (IEV) – Capítulo 826: Instalaciones eléctricas en edificaciones Apéndice 1:1990 Apéndice 2: 1995 IEC 61000-2-5:1995, Compatibilidad electromagnética (EMC) – Parte 2: Entorno – Sección 5: Clasificación de entornos electromagnéticos – Publicaciones básicas de EMC IEC 61000-5-1:1996, Compatibilidad electromagnética (EMC) – Parte 5: Guías de instalación y atenuación – Sección 1: Consideraciones generales – Publicaciones básicas de EMC IEC 61024-1:1990, Protección de edificaciones contra los rayos – Parte 1: Principios generales ISO/IEC 11801:1995, Tecnología de la información – Cableado genérico para locales de los consumidores Note que se listan otros documentos en la Bibliografía en el anexo D. Esta lista bibliográfica incluye documentos que fueron usados en el desarrollo del presente reporte, documentos citados como una recomendación y documentos sugeridos para una lectura posterior como información complementaria.
3
Definiciones
Para el propósito de este reporte técnico se aplican las definiciones dadas en la IEC 60050(161) y la IEC 60050(826), así como las definiciones listadas abajo. Una lista de siglónimos se proporciona al final de esta cláusula.
61000-5-2 TR3 IEC:1997
–9–
NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
3.1 equipotencialización acto de conectar conjuntamente partes conductoras expuestas y partes conductoras extrañas de aparatos, sistemas o instalaciones que están esencialmente al mismo potencial (nuevo WG2) NOTA Para propósitos de seguridad, la conexión equipotencial generalmente necesariamente) una conexión al sistema de puesta a tierra inmediatamente adyacente.
involucra
(pero
no
3.2 tensión de modo común valor medio de la tensión fasorial que aparece entre cada conductor y una referencia especificada, usualmente la tierra o la estructura [IEV 161-04-09] 3.3 conversión de modo común proceso por el cual se produce una tensión de modo diferencial en respuesta a una tensión de modo común [IEV 161-04-10] 3.4 circuito de modo común lazo completo de corriente o circuito cerrado para la corriente de CM, incluyendo el cable, los aparatos, y las partes cercanas del sistema de puesta a tierra [nuevo WG2] 3.5 tensión de modo diferencial tensión entre cualesquiera dos [IEV 161-04-08]
de
un
grupo
específicado
de
conductores
activos
3.6 circuito de modo diferencial lazo completo de corriente o circuito cerrado para la señal o la potencia de interés, incluyendo el cable y los aparatos conectados a él en sus dos extremos [nuevo WG2] NOTA
En vez de “modo diferencial”, a veces se usan los términos “modo normal” y “modo serie”
3.7 nivel de perturbación (electromagnética) nivel de una perturbación electromagnética existente en una locación dada, resultante de las contribuciones de todas las fuentes de perturbación [IEV 161-03-29] 3.8 conexión equipotencial conexión eléctrica que pone varias partes conductoras expuestas y partes conductoras extrañas a un potencial sustancialmente igual [IEV 826-04-09] 3.9 tierra masas conductoras de la tierra, cuyo potencial eléctrico en cualquier punto se toma convencionalmente igual a cero [IEV 826-04-01] 3.10 electrodo de tierra parte conductora o un grupo de partes conductoras en contacto íntimo y brindando una conexión eléctrica con la tierra [IEV 826-04-02]
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
3.11 red de puesta a tierra conductores del sistema de puesta a tierra, no en contacto con el suelo, que conectan aparatos, sistemas o instalaciones al electrodo de tierra o a otro medio de puesta a tierra [nuevo WG2] 3.12 puesta a tierra acto de conectar partes conductoras expuestas de aparatos, sistemas e instalaciones al electrodo de tierra o a otro elemento del sistema de puesta a tierra [nuevo WG2] 3.13 sistema de puesta a tierra circuito eléctrico en tres dimensiones que ejecuta la puesta a tierra [nuevo WG2] NOTA
El sistema de puesta a tierra incluye dos partes: el electrodo de tierra y la red de puesta a tierra.
3.14 electrodos de tierra eléctricamente independientes electrodos de tierra localizados a tal distancia unos de otros que la máxima corriente que probablemente atraviese uno de ellos no afectará significativamente el potencial de los otros [IEV 826-04-04] 3.15 nivel de compatibilidad (electromagnética) es el nivel de perturbación electromagnética especificado usado como un nivel de referencia para la coordinación en los ajustes de los límites de emisión e inmunidad [IEV 161-03-10] 3.16 facilidades algo (como un hospital, fábrica, maquinaria...) que es edificado, construido, instalado o establecido para ejecutar alguna función particular o que sirve o facilita algún fin particular [nuevo WG2] 3.17 margen de inmunidad razón del límite de inmunidad al nivel de compatibilidad electromagnética [IEV 161-03-16] 3.18 nivel de inmunidad nivel máximo de una perturbación electromagnética dada, incidiendo de una forma específica en un dispositivo particular, equipo o sistema, al cual no le ocurre ninguna degradación en su funcionamiento [IEV 161-03-14] 3.19 conductor de tierra en paralelo (PEC, siglas en inglés) conductor usualmente llevado a lo largo del recorrido del cable para proporcionar una conexión de baja impedancia entre las configuraciones de puesta a tierra y los extremos del cable [nuevo WG2] 3.20 puerto interface específica de un aparato específico con el entorno electromagnético externo
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3.21 impedancia superficial de transferencia (de un cable coaxial) cociente de la tensión inducida en el conductor central de un cable coaxial por unidad de longitud por la corriente en la superficie externa del cable coaxial [IEV 161-04-15] 3.22 impedancia de transferencia (Z t ) relación de la tensión de acoplamiento dentro de un circuito a la corriente que aparece en otro circuito o en otra parte del mismo circuito [Nuevo WG2] NOTA 1 Para el propósito de este reporte técnico, los circuitos separados pueden ser cables separados físicamente pero muy cercanos, o los mismos cables operando de modos diferentes. NOTA 2 Contribuciones localizadas diferentes se originan en el propio cable y en los aparatos.
3.23 siglónimos
4
4.1
a.c.
corriente alterna
HF
alta frecuencia
CM
modo común
IM
modo intermedio
d.c.
corriente directa
LF
baja frecuencia
DM
modo diferencial
PE
tierra de protección
EM
electromagnético
PEC
conductor de tierra en paralelo
EMC
compatibilidad electromagnética
Consideraciones generales de EMC en la instalación de los sistemas de puesta a tierra y cableado Generalidades
Están disponibles diferentes tipos de normas para definir las condiciones de cumplimiento con los requisitos de EMC de los productos eléctricos y electrónicos, que van desde normas básicas hasta normas dedicadas a productos. Sin embargo, estas normas pueden no ser suficientes, o apropiadas, en lo que concierne a la EMC para instalaciones sensibles. Por tanto, las directrices de instalación son necesarias para adaptarse a un máximo de situaciones. Los métodos de atenuación no serán necesarios cuando los equipos por ellos mismos tengan niveles de inmunidad suficientemente altos. Pueden considerarse tres áreas principales respecto a la EMC: −
emisores: la fuente de las perturbaciones, influida por el diseño de los aparatos;
−
trayectorias de acoplamiento: influidas por las prácticas de instalación;
−
receptores: las víctimas potenciales, influidas por el diseño de los aparatos.
En función de garantizar la EMC, deberán aplicarse tres tipos de medidas cuando sea necesario: −
en la fuente de las perturbaciones: reducción de las emisiones;
−
en el acoplamiento: reducción del acoplamiento;
−
en la víctima: incrementar la inmunidad.
Este reporte técnico se dirige principalmente a la atenuación alcanzable por la reducción del acoplamiento a través de prácticas apropiadas en la implementación de la puesta a tierra y la equipotencialización, y la selección e instalación de los diversos cables usados en la facilidad.
61000-5-2 TR3 IEC:1997 4.2
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
EMC y requisitos de seguridad (aislamiento) de la instalación
Debe prestarse atención al hecho de que la protección por EMC y los requisitos de aislamiento/seguridad pueden tener aspectos comunes, tales como la puesta a tierra y la protección contra las sobretensiones y los rayos. Es importante tener presente que los procedimientos en aspectos de seguridad para la protección del personal preceden a los procedimientos de protección por EMC. En algunos casos, podrá haber conflicto entre los procedimientos de seguridad y los procedimientos relacionados de EMC. La seguridad tiene siempre que prevalecer, por lo cual en tal caso tienen que buscarse medidas de EMC alternas. 4.3
Equipos y puertos de instalación
Para proporcionar una transición del concepto completo de acoplamiento entre el entorno y los aparatos a los detalles específicos, es útil considerar el concepto de “puertos”, como se define en la IEC 61000-5-1. Por la identificación de tales puertos, las medidas de protección pueden ser específicamente relacionadas a la naturaleza del fenómeno de EM, su trayectoria de acoplamiento, y su impacto en los elementos funcionales de los aparatos (inmunidad) o su impacto en el entorno (emisiones). Los documentos de la IEC 61000-5 se dirigen en detalle a las prácticas de instalación y atenuación considerando los puertos y los fenómenos de EM asociados. En el presente reporte técnico, las cláusulas 5 y 6 cumplen con el puerto de tierra y la cláusula 7 cumple con los puertos de potencia y los puertos de señal y control.
5 5.1
Puesta a tierra y equipotencialización Requisitos concernientes a la seguridad
La meta principal de un sistema de puesta a tierra es asegurar la seguridad del personal y la protección de las instalaciones contra daño. Dos fenómenos importantes son los rayos y las fallas en los sistemas de potencia. Estos pueden causar la circulación de grandes corrientes, las cuales pueden crear tensiones peligrosas en las instalaciones de las edificaciones. Un punto importante que debe ser notado es que estos dos fenómenos son externos a la instalación (como regla general del sistema de potencia) y la tierra (suelo) es la única vía para el retorno de las corrientes a las fuentes. En algunos países, el conductor neutro es también una vía para estas corrientes. La amplitud de las corrientes está comprendida entre unos pocos amperes y decenas de kiloamperes para las fallas de los sistemas de potencia y los rayos. Desde el punto de vista del espectro de frecuencia, estos dos fenómenos producen señales cuyas frecuencias van desde 50/60 Hz hasta varios megahertzios. La tarea del sistema de puesta a tierra, en estas condiciones, es ser una vía hacia el suelo para las corrientes, mientras mantiene la diferencia de tensión entre dos puntos cualesquiera de una instalación (tensión de contacto y de paso) tan baja como sea posible. Generalmente, las regulaciones nacionales especifican los valores máximos de tensión para la seguridad del personal, incluyendo estipulaciones para el uso del conductor de protección (PE). Sin embargo, este conductor PE solamente no es suficiente por lo general para cumplir los requisitos de EMC.
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
En el pasado, la corriente de falla del sistema de potencia fue usada generalmente para definir el sistema de puesta a tierra (Kouteynikoff, 1980 [1]; Kuussaari, 1978 [2]; Lu, 1980 [3]) 1 . Una consecuencia desafortunada de esta situación es el hecho de que la resistencia de esta trayectoria se convierte en el criterio usual. Este enfoque puede ser correcto todavía para fenómenos con una frecuencia típica de 50 Hz o 60 Hz, pero es ciertamente inapropiado para las altas frecuencias, donde los fenómenos inductivos a lo largo de la trayectoria pueden ser predominantes. Hoy es mucho mejor caracterizar el sistema de puesta a tierra por su impedancia. 5.2
Requisitos concernientes a la EMC
La segunda meta de un sistema de puesta a tierra es servir como una referencia común de tensión y contribuir a la atenuación de las perturbaciones en las instalaciones con sistemas eléctricos y electrónicos sensibles e interconectados. El objetivo de un sistema de puesta a tierra el cual presenta, en todas las situaciones, una referencia absoluta de tensión se obtiene solo en teoría, como muestra la figura 1 (caso A). A veces se hace una tentativa de describir el objetivo ideal de una diferencia de tensión de cero volt entre dos puntos cualesquiera con la palabra “equipotencial”. Sin embargo, el concepto de potencial es aplicable solamente a la electricidad estática y la d.c. En la práctica, la inducción hace la tensión entre dos puntos cualesquiera mayor que cero. En el caso B de la figura 1, la trayectoria seguida por el voltímetro lleva a añadir una tensión inductiva a la tensión cercana a cero del caso A. Asimismo, las interconexiones entre equipos, localizados a alguna distancia unos de otros, y dependiendo de que tengan una referencia común, pueden ser ruteados como en el caso A o como en el caso B. La tensión extraña inducida en el lazo del caso B puede entonces producir un corrimiento en la tensión de referencia, lo cual dependerá del ruteo actual. Esta situación ya existe en los sistemas de puesta a tierra aún en 50 Hz o 60 Hz. En teoría, solamente una superficie plana buena conductora, grande, sólida, puede ser considerada como una referencia de tensión. Esta condición sería medible solamente si los terminales del voltímetro se llevan ajustados contra el plano de referencia. Este concepto será además discutido y aplicado en la cláusula 7. NOTA En el caso A, los terminales del voltímetro se mantienen cercanos al plano de referencia, y la diferencia de tensión indicada por el voltímetro es baja. En el caso B, la prolongada trayectoria de los terminales del voltímetro permite la inducción de una tensión extraña en el lazo.
Figura 1 – Demostración de la falacia del concepto de “equipotencialización” como una regla universal, especialmente a las altas frecuencias
El sistema de puesta a tierra contribuye a la atenuación de las perturbaciones, por el hecho de ser una vía para las corrientes de retorno entre una fuente de perturbaciones (vea la IEC 61000-2-5 para una lista y descripción de las fuentes) y aparatos o sistemas electrónicos sensibles, y también una referencia de tensión para los dispositivos de protección (filtros, etc...). En otras palabras, las perturbaciones pueden describirse en términos de corriente, aún en el caso de campos radiados donde la energía electromagnética se transforma en corriente por los aparatos o sistemas sensibles los cuales actúan como una antena. Para la EMC, los aparatos o sistemas electrónicos modernos son sensibles a corrientes y tensiones varias veces menores que aquellos tomados en consideración para la seguridad del personal. Esta diferencia de punto de vista debe ser reconocida, especialmente por tecnologías que dependen de las señales de nivel bajo. ——————— 1 Los números entre corchetes se refieren a la bibliografía dada en el anexo D.
61000-5-2 TR3 IEC:1997 5.3
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Diseño de los sistemas de puesta a tierra
Los requisitos descritos en 5.1 y 5.2, que son, derivar las corrientes no deseadas de la frecuencia del sistema y las de alta frecuencia, y disminuir la diferencia de tensión entre dos puntos del sistema, son los mismos para: −
los rayos;
−
la seguridad del personal;
−
la protección de la instalación;
−
la EMC.
Cada una de estas consideraciones impone restricciones al diseño: −
la seguridad del personal y los rayos determinan el diseño del electrodo de tierra;
−
la seguridad y la protección de la instalación determinan el diámetro de los conductores de puesta a tierra;
−
el comportamiento de los requisitos de EMC determina el trazado de la red de puesta a tierra.
5.3.1
Electrodo de tierra
Para el diseño del electrodo de tierra, el primer paso debe ser el conocimiento de la resistividad del terreno. Esta resistividad es función de la naturaleza y homogeneidad del suelo, condiciones climáticas, etc. Los valores de resistividad del suelo varían en una gran escala según la naturaleza del suelo, desde unos pocos ohm·metro hasta 10 000 Ω·m. Para más detalles, vea los documentos relacionados en la bibliografía (anexo D). La geometría del electrodo de tierra debe ser adaptada a la importancia de la instalación. Un solo electrodo de tierra (tal como un cable o barra) puede ser usado solamente en el caso de instalaciones muy pequeñas, tales como una habitación o aparatos o sistemas aislados. En general, para edificios o plantas, la mejor solución para el electrodo es una red mallada bajo tierra por debajo y alrededor del edificio o la planta. En edificios viejos, donde estos objetivos pueden ser difíciles de alcanzar, serán necesarias otras medidas y prestar mayor atención a la EMC. Es importante hacer notar que esta recomendación no busca excluir las prácticas de instalación existentes cuando ellas han mostrado que funcionan satisfactoriamente. La red mallada del electrodo de tierra se complementa frecuentemente por cables radiales o picas de tierra, o ambos, en puntos de conexión de cables que vienen de terminales pararrayos, aparatos o sistemas de alta tensión y aparatos o sistemas con grandes corrientes de falla que retornan a través del sistema de puesta a tierra. El electrodo de tierra, como regla general, debe ser colocado en terreno natural, no en material de relleno y, si es posible, en tierra húmeda. La figura 2 brinda un ejemplo de un diagrama de principio para el electrodo de tierra de una planta. Algunos puntos prácticos son importantes debido a que ellos influencian la calidad del electrodo a largo plazo. −
Es preferible usar conductores sólidos debido a que ellos están menos sujetos a la corrosión que los conductores trenzados.
−
Por la misma razón (corrosión), las conexiones entre conductores son soldadas y no realizadas por fijación mecánica. Algunos edificios tienen un electrodo de tierra embebido en hormigón. Este electrodo se localiza dentro, y cerca del fondo del basamento de hormigón que está en contacto directo con el terreno. Esta solución, correcta para edificios residenciales o de oficinas, podría no tener el funcionamiento requerido para edificios industriales.
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1 4 5 6
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Estructura metálica 2 Aparatos o sistemas aislados Torre de alta o media tensión dentro de la planta Torre de alta o media tensión cerca de la planta Cerca
3 Edificio
Figura 2 – Vista esquemática en planta de un electrodo de tierra típico
No se recomienda (y puede estar prohibido en algunos países) el uso de un electrodo de tierra independiente, “segregado” (vea la definición en 3.14) para computadoras o sistemas electrónicos (figura 3). Siempre hay acoplamiento en la instalación por el terreno o por elementos parásitos (capacidades e inductancias mutuas). En el caso de fallas del sistema de potencia o por rayos, pueden ocurrir tensiones transitorias peligrosas (para la seguridad del personal y para la EMC) entre este sistema de puesta a tierra segregado y otras partes de la instalación. Terminales pararrayos Mutuo
“Tierra limpia”
Tierra de fuerza
Suelo
Electrodos de tierra independientes
NOTA En un intento por obtener una red de puesta a tierra “limpia”, por ejemplo para ser usada como referencia para señales, el electrodo de tierra no se ha interconectado con los otros electrodos de tierra. Este procedimiento no es adecuado para la EMC y es un peligro para la seguridad; en realidad, los códigos regulatorios prohíben esta práctica en algunos países.
Figura 3 – Concepto erróneo de electrodo de tierra “dedicado”, “independiente” o “segregado”
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003 Terminales pararrayos
Mutuo
“Tierra limpia”
Tierra de fuerza
Suelo
Un solo electrodo de tierra
NOTA En un intento por obtener una llamada red de puesta a tierra “limpia” o “de instrumento”, por ejemplo para ser usada como referencia para señales, la red de puesta a tierra se separa en una red de puesta a tierra para señal y otra para potencia. Cuando se instala correctamente y se mantiene la topología, este procedimiento ha sido encontrado satisfactorio, pero no es recomendado para uso general. Es adecuado para la seguridad (a la frecuencia de la fuente de potencia); generalmente no es adecuado para la EMC a altas frecuencias.
Figura 4 – El concepto de un solo electrodo de tierra Unión equipotencial necesaria en edificaciones de varios pisos
Terminales pararrayos
Tierras de fuerza y de comunicaciones según las necesidades
Suelo
Electrodos de tierra múltiples, interconectados
NOTA Esta representación conceptual en dos dimensiones, similar en formato a las figuras 3 y 4, es en realidad una red en tres dimensiones, como se muestra en la figura 7. Este es el procedimiento recomendado en el caso general, para la seguridad así como para la EMC. Como se nota por la figura 4, esta recomendación no excluye otras configuraciones especiales bien demostradas y bien mantenidas.
Figura 5 – Configuración recomendada para los electrodos de tierra y la red de puesta a tierra
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Red de puesta a tierra
La red de puesta a tierra generalmente se diseña e implementa por el constructor de la facilidad para tener una impedancia tan baja como sea posible en función de desviar las corrientes de falla del sistema de potencia, así como las corrientes de HF, y así evitar que pasen a través de los aparatos y sistemas electrónicos. Existen diferentes trazados de sistemas de puesta a tierra que pueden dar satisfacción a sus usuarios. Pero algunos de estos trazados requieren el cumplimiento de condiciones específicas para ser efectivos. Por ejemplo, una administración central o una gran organización con estructuras apropiadas pueden diseñar y mantener cada aspecto de un sistema de puesta a tierra desde la medición de la resistividad del suelo hasta el control final. En particular, algunas prácticas de instalación tales como una “Red en Estrella” o “Red Equipotencial Segregada” para la puesta a tierra están basadas en diferentes proposiciones de EMC que han sido halladas satisfactorias para instalaciones específicas cuando son correctamente aplicadas y la topología mantenida por especialistas competentes. Estas condiciones específicas no son generalmente cumplidas por el usuario típico de una instalación. Por tanto, la guía dada en este reporte técnico está destinada para este usuario típico, más bien que para las organizaciones con procedimientos establecidos y exitosos. El concepto de electrodo de tierra dedicado, independiente (probablemente de acuerdo con la definición 3.14, ilustrado por la figura 3), cada uno sirviendo una red de puesta a tierra separada, es un concepto erróneo que no solamente no fomentará la EMC, sino que es un serio peligro para la seguridad. En algunos países, los códigos nacionales prohíben tal práctica. El uso de una red de puesta a tierra electrónica “limpia” separada y una red de puesta a tierra de potencia “sucia” no se recomienda para alcanzar la EMC, aún con el uso de un solo electrodo de tierra (figura 4). Aún cuando no es universalmente aceptado, la IEC 61024-1 subcláusula 3.1.2b) exige la equipotencialización “a intervalos verticales que no excedan los 20 m para edificaciones de más de 20 m en altura. Las barras de conexión equipotencial serán conectadas al conductor en anillo horizontal el cual interconecta los conductores descendentes”. Esta instalación se muestra esquemáticamente en la figura 5. Se reconoce que algunas de las recomendaciones de este reporte técnico podrían ser difíciles de implementar en edificios antiguos. No obstante, son posibles algunas mejoras de la red de puesta a tierra. Los ejemplos incluyen un piso elevado con una red mallada de puesta a tierra debajo, o la interconexión de todos los chasis de los aparatos que intercambian señales (figura 6). Otros métodos de atenuación pueden también complementar estos. Una objeción frecuentemente planteada a la red mallada de puesta a tierra es que este arreglo da por resultado lazos de tierra, una situación vista como indeseable debido a problemas de ruido. En realidad, los problemas de ruido pueden ser reducidos por los métodos descritos en la cláusula 7. En todo caso, percibir la necesidad de separar las redes de puesta a tierra debido a problemas de ruido nunca debe conducir a adoptar prácticas inseguras.
NOTA En (a), el lazo formado con la pantalla del cable de señal, produce una situación indeseable. En (b), el lazo formado entre los dos chasis atenúa la implicación del cable de señal.
Figura 6 – Lazos que involucran cables de señal y la red de puesta a tierra
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Como una instalación típica puede tener varios pisos, cada piso debe tener su propia red de puesta a tierra (generalmente implementada como una malla, vea la figura 7), y todas estas redes deben estar conectadas unas con otras y al electrodo de tierra. Por razones de seguridad, se requiere un mínimo de dos conexiones (la redundancia debe estar incorporada), para que en caso de que uno de los conductores se rompa, ninguna parte de la red de puesta a tierra se convierta en segregada. En la práctica, se usan más de dos conexiones para tener una mejor simetría para la circulación de la corriente, para minimizar las diferencias de tensión y para disminuir la impedancia global entre dos niveles de piso.
NOTA Cada piso tiene su malla, las rejillas están interconectadas en varios puntos entre pisos, y algunas rejillas de un piso son reforzadas en algunas áreas si es necesario.
Figura 7 – Esquema tridimensional de la proposición recomendada para la red de puesta a tierra
Estas trayectorias múltiples y paralelas tienen diferentes frecuencias de resonancia. Por tanto, si hay para una frecuencia dada una trayectoria con una impedancia alta, esta trayectoria es con certeza derivada por otra la cual no tiene la misma frecuencia de resonancia. Globalmente, sobre un gran número de espectros de frecuencia (d.c. hasta decenas de megaherzts), una multitud de trayectorias dan un sistema de baja impedancia. Cada local del edificio debe tener conductores de la red de puesta a tierra para permitir la equipotencialización de aparatos o sistemas, bandejas portacables, estructuras: refuerzo de las placas del edificio, tuberías de agua, canales, soportes, armazones, etc. En casos particulares, tales como cuartos de control o de computadoras en pisos elevados, se puede usar un plano de referencia de tierra o barras de puesta a tierra en el área de los sistemas electrónicos para mejorar la conexión a tierra de los equipos sensibles y proteger los cables de interconexión. La instalación de aparatos o sistemas sensibles o de alta potencia en el edificio puede exigir el reforzamiento local de la red de puesta a tierra, por ejemplo: en cuartos de control o de computadoras, cerca de un transformador de potencia, etc. Una forma de disminuir el acoplamiento entre las fuentes electromagnéticas de interferencia y los dispositivos sensibles es la distancia. Este principio debe aplicarse también a la red de puesta a tierra. Deben crearse diferentes zonas, por ejemplo: zona electrónica, zona de maquinaria, etc. Estas zonas se interconectan por la red de puesta a tierra, pero el trazado de la instalación debe ser tal, que la distancia entre las fuentes y los aparatos o sistemas sensibles sea tan grande como sea posible, como se muestra en la figura 8. Un motor con una corriente de falla potencialmente alta no debe ser conectado al mismo conductor de puesta a tierra de electrónica sensible (el acoplamiento por impedancia común debe ser cuidadosamente evitado). Se recomienda conectar los diferentes aparatos en los nodos de la red de puesta a tierra en función de perfeccionar la ejecución de la EMC de la instalación.
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Electrodo de tierra
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Red de puesta a tierra
Luces Equipos eléctricos Equipos electrónicos
Estructuras Motores Neutro
Tensión de referencia y pantallas de cables Planta de proceso
Tranformador de potencia
Bandejas porta cables
NOTA La topología de las conexiones “B” y “C” proporciona mejor ejecución de la EMC que la topología “A”. Los detalles de las conexiones pueden variar con los casos específicos.
Figura 8 – Principios generales para la equipotencialización de varios aparatos o sistemas a la red de puesta a tierra
Algunas organizaciones, donde la ingeniería central ha hecho un control riguroso del diseño y la posible implementación, han aplicado exitosamente un procedimiento donde cada piso tiene su propia red mallada de puesta a tierra segregada, la llamada “Tierra Híbrida” [4] (vea la figura A.1). Una característica principal es el concepto del estricto ruteo del cable, el cual exige que todos los cables entren al sistema específico en una interface, similar al ejemplo de la figura A.2 (la cual es topológicamente equivalente). Este procedimiento ofrece la ventaja de minimizar los problemas de ruido asociados algunas veces con una red mallada integral, pero requiere mantener cuidadosamente la segregación entre la red mallada segregada específica y las partes conductoras extrañas. La diferencia física principal entre el electrodo de tierra y la red de puesta a tierra concierne a su implementación. El riesgo de corrosión dentro de la edificación es pequeño (generalmente), así que es posible el uso de cables trenzados para los conductores y el apriete mecánico para la conexión de los conductores. 5.3.3
Conductores descendentes del terminal pararrayos
Estos conductores, los cuales son parte de la red de puesta a tierra, son específicos por varias razones. La amplitud y las frecuencias equivalentes de las corrientes de los rayos requieren el uso de más de un conductor descendente por cada terminal pararrayos: –
para disminuir la impedancia de la trayectoria;
–
para limitar la corriente en un conductor;
–
para evitar el riesgo de que un terminal pararrayos se desconecte del conductor descendente.
Desde el punto de vista de la EMC, estos conductores múltiples tienen la ventaja de limitar los efectos inductivos dentro del edificicio si el trazado de la instalación es tal que estos conductores no están muy cerca de los equipos o aparatos electrónicos sensibles (las paredes de los edificaciones ofrecen generalmente mala atenuación a los campos eléctricos y magnéticos).
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Los conductores sólidos instalados generalmente en el exterior de la edificación se usan para resistir mejor la corrosión. Normalmente, para edificios con un número reducido de pisos, el electrodo de tierra es la única conexión entre el conductor pararrayos y la red de puesta a tierra dentro del edificio (principio de la distancia). Este arreglo puede ser difícil de obtener para edificios industriales con estructuras metálicas o para edificios con un gran número de pisos, por lo que, para estos casos específicos, una solución preferida, con respecto a la EMC, es no aislar los conductores de pararrayos de las estructuras y conectarlos a la red de puesta a tierra en cada piso, o, al menos, cada no muchos pisos (vea la figura 5). En la última configuración, considerando que la corriente del rayo es una corriente transitoria, la mayor parte de la corriente inicial del rayo permanecerá en los conductores externos como resultado de la interacción del campo electromagnético. Solamente una pequeña corriente estrictamente necesaria para la “igualación de potenciales” fluirá dentro de la edificación, lo que evitará el peligro de una descarga eléctrica entre los conductores descendentes de los pararrayos y los aparatos puestos a tierra dentro de la edificación. Este asunto es más un tema de la seguridad que un tema de la EMC, pero pudiera crearse una situación insegura por malaconsejadas tentativas inspiradas en la EMC de mantener completamente fuera de la edificación las corrientes de los rayos. Además, debe tenerse en cuenta que, para la mayoría de los edificios comerciales e industriales, muchos objetos puestos a tierra (iluminación, acondicionadores de aire, ventiladores, antenas de comunicación, etc.) están localizados en lo alto del edificio y pueden inadvertidamente actuar como terminales pararrayos, involucrando a sus conductores de comunicaciones, de potencia, o de tierra de protección antes que los conductores descendentes de los terminales pararrayos destinados para tal propósito. La interacción electromagnética entre los campos establecidos por las corrientes de los rayos que fluyen en varios conductores descendentes distribuidos alrededor del edificio, asegura que la mayoría de la corriente inicial fluirá en los conductores exteriores, los conductores descendentes antedichos, el acero del edificio o las barras de refuerzo del hormigón, antes que en los conductores interiores que verán un frente muy pequeño del impulso de la corriente del rayo (Schnetzer and Fisher, 1992 [5]).
6
Equipotencialización
La equipotencialización de todas las partes metálicas expuestas de una instalación y la conexión de ellas a la red de puesta a tierra es una forma de cumplir con los requisitos de seguridad (tensiones de contacto y de paso). La figura 8, discutida anteriormente, muestra un diagrama esquemático de varios aparatos o sistemas conectados a la red de puesta a tierra en una instalación industrial. Esta conexión puede ser implementada de tal manera que no solamente satisfará los requisitos de seguridad, sino también mejorará la ejecución de la EMC en la instalación. 6.1
Generalidades
Las planchuelas de unión entre aparatos o sistemas y la red de puesta a tierra pueden ser representadas por el circuito equivalente de la figura 9. R S y L S representan al conductor de equipotencialización. Sin embargo, elementos parásitos tales como las capacitancias de los aparatos o sistemas versus la red de puesta a tierra, C P , o las impedancias de contacto de las planchuelas, Z C , modifican esta simple situación (figura 10).
Figura 9 – Representación simplificada de una planchuela de equipotencialización
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Figura 10 – Una representación más realista de una planchuela de equipotencialización instalada
Para obtener una baja impedancia de conexión, R S y L S , las cuales son una función directa de la longitud y la forma de la planchuela, deben ser mínimas. En la práctica esto implica que los aparatos o sistemas deben conectarse siempre al conductor de la red de puesta a tierra más cercano, el cual debe estar suficientemente cerca de los equipos (un punto a tener presente cuando diseñamos el trazado de la instalación). La impedancia Z C debe ser tan baja como sea posible. Esta impedancia involucra no solamente la red de puesta a tierra, sino también los aparatos o sistemas a ser conectados y la forma de implementar la conexión. Los materiales disímiles para la red de puesta a tierra, las planchuelas de equipotencialización y los aparatos o sistemas a ser conectados pueden causar problemas debido a efectos electroquímicos, y deben ser controlados si esto es inevitable. Los equipos están involucrados, ya que frecuentemente el punto de conexión es parte de la estructura de los aparatos o sistemas. Desafortunadamente, como parte de la estructura, este punto puede estar inicialmente cubierto por pintura o por tratamiento electrolítico, lo cual brinda una pobre impedancia de contacto. Debe ponerse un cuidado especial en este punto. El método de conexión tiene influencia directa en el valor de Z C y en la estabilidad de este valor con el tiempo (corrosión). Pueden usarse varios métodos: –
conexión soldada;
–
conexión por soldadura blanda (ej., estañado);
–
conexión atornillada o empernada;
–
conexión remachada;
–
conexión rizada;
–
conexión prensada;
–
etc.
6.2
Planchuelas de equipotencialización
Los conductores formados por láminas metálicas, bandas metálicas de malla, o cables redondos son apropiados como planchuelas de equipotencialización. Para sistemas de altas frecuencias, son mejores las láminas metálicas o bandas trenzadas (efecto pelicular). La relación dimensional típica longitud/ancho para estas láminas debe ser menor que cinco. La figura 11 muestra ejemplos de su implementación.
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Figura 11 – Planchuelas de equipotencialización típicas
Desde el punto de vista de la EMC, los cables redondos no son efectivos como planchuelas de equipotencialización donde se generen o procesen frecuencias superiores a los 10 MHz, o en sistemas que puedan ser afectados por tales frecuencias. Un conductor redondo tiene, a altas frecuencias, una impedancia mayor que un conductor plano con la misma sección transversal de material (figura 12). Note, sin embargo, que a veces se sobreacentúa el efecto del uso de una planchuela plana antes que un cable redondo. Se puede alcanzar todavía una menor impedancia por conexiones múltiples (figura 13).
Figura 12 – Inductancia relativa de conductores planos y redondos
Figura 13 – Inductancia relativa de planchuelas de equipotencialización redondas, planas y dobles de la misma sección transversal total
6.3 6.3.1
Conexiones Conexiones permanentes
Las conexiones permanentes hechas por soldadura o soldadura blanda presentan la ventaja de tener el menor valor de la impedancia de contacto y buena estabilidad en el tiempo. Las conexiones remachadas o rizadas pueden brindar la presión de contacto necesaria para obtener conexiones confiables y duraderas. No obstante, estos métodos requieren superficies metálicas limpias y precauciones adecuadas para evitar la corrosión. 6.3.2
Conexiones removibles
Las superficies metálicas limpias garantizan buena conducción y conexiones duraderas si ellas se aprietan de conjunto a alta presión (esta disposición requiere mantenimiento periódico en las instalaciones industriales), y el resultado es equivalente a la soldadura con la posibilidad añadida de desconectarlas si es necesario.
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Para conexiones donde no pueden obtenerse superficies metálicas limpias, pueden usarse arandelas que penetren las capas no conductoras. Sin embargo, esto es una solución paliativa. Si se usan conductores de aluminio, tienen que aplicarse compuestos de unión apropiados. 6.3.3
Tratamiento superficial
Las conexiones de puesta a tierra requieren el contacto con superficies metálicas limpias. La pintura o cualquier otra capa protectora no conductora debe quitarse de las áreas de contacto. El área limpia debe ser mayor que el área de contacto. Después de la conexión de las superficies de contacto, tiene que aplicarse un recubrimiento protector, tal como pintura o grasa, para impedir la corrosión de la superficie limpia fuera del área de contacto, la cual está expuesta a las varias condiciones medioambientales las cuales han de ser consideradas (figura 14). Tornillo
Protección anticorrosiva
Terminal de conexión equipotencial
Superficie metálica limpia Capa de protección
Carcasa del equipo
Figura 14 – Ejemplo de una conexión removible protegida de una planchuela de equipotencialización
6.4 6.4.1
Equipotencialización de equipos específicos Cubículos
Para cubículos, es generalmente suficiente una sola planchuela de equipotencialización. Pero si las fuentes de interferencias electromagnéticas son tales que la más alta frecuencia que ellas producen tiene una longitud de onda más corta que la mayor dimensión del cubículo, entonces deberán usarse múltiples planchuelas de equipotencialización. En tal caso, una distancia típica entre cada planchuela de equipotencialización es un décimo de la longitud de onda más corta de interés, con un mínimo de 0,3 m de distancia. Para distancias más cortas, las mejoras serán insignificantes. Para un cubículo dado, la penetración de los cables y de la planchuela de equipotencialización debe realizarse muy cercana una de otra (en el mismo lado del cubículo) para evitar la circulación de corrientes sobre o en el interior de la envolvente del cubículo. 6.4.2
Cables apantallados
La pantalla de los cables se conecta a la red de puesta a tierra en uno o dos extremos, en dependencia de la señal existente transmitida y las posibles fuentes de interferencias electromagnéticas. Pero en todos los casos, la mejor solución para la conexión es tener una conexión de 360 grados alrededor de la pantalla. Esto puede implementarse por medio de un prensaestopas metálico adecuado o por soldadura a la entrada de la envolvente (figura 15). Vea 7.6 para más detalles.
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003 Contacto en los 360° Unión a la pantalla Pares trenzados
Pared del gabinete
Figura 15 – Ejemplo de conexión óptima de un cable apantallado a la envolvente por medio de un prensaestopas que proporciona una conexión de 360 grados
6.5
Procedimientos para los usuarios
Debido a que el sistema de puesta a tierra se instala primero en un edificio o en una planta (antes que los aparatos o sistemas necesarios para el propósito final de la instalación) y es frecuentemente parte de la estructura del edificio, es muy difícil para los usuarios verificar o modificar este sistema una vez que la instalación está en funcionamiento. Por esta razón, los usuarios deben garantizar un diseño e implementación apropiados de este sistema en la fase de diseño (por ejemplo: cómo mantener el sistema de puesta a tierra durante la vida de la instalación) y la instalación inicial. Con respecto a la EMC, un buen sistema de puesta a tierra no es caro si las directrices generales definidas en el presente documento se toman en consideración en la etapa de diseño. En el caso de edificaciones antiguas, o de nuevas edificaciones que no fueron diseñadas con la EMC en mente, el costo puede ser mayor, pero todavía necesario cuando están involucrados equipos electrónicos sensibles. Para la verificación, solamente las conexiones atornilladas o empernadas (red de puesta a tierra y equipotencialización) pueden comprobarse durante la vida activa de una instalación. Esta verificación puede ejecutarse visualmente o por el ajuste sistemático de cada conexión, o por medición de d.c. a través de la unión. En caso de problemas de EMC (siguiendo o no una modificación de la instalación), será necesario proporcionar una mejora local de la red de puesta a tierra. Esta operación es cara frecuentemente y difícil de manejar debido a la presencia de aparatos o sistemas, máquinas, etc. La operación puede facilitarse por el uso de pisos elevados con conductores de la red de puesta a tierra bajo ellos. Otro procedimiento es interconectar todos los chasis con planchuelas de equipotencialización y rutear los cables de señal cerca de estas planchuelas, como se representa esquemáticamente en la figura 16 (vea la cláusula 7 para más detalles).
Líneas de señales Planchuelas de equipotencialización
Figura 16 – Esquema de los chasis interconectados con planchuelas de equipotencialización y cables de señal
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7 7.1
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Cables y alambres Generalidades
Para asegurar una óptima compatibilidad electromagnética, la selección de un cable, su conexión a los puertos de los aparatos, su ruteo desde la envolvente de un aparato a otro, el agrupamiento en haces de diferentes cables, y la instalación en general, deben estar basados en un procedimiento consistente de EMC. En un entorno electromagnético agresivo, pueden seguirse dos procedimientos para la configuración del cableado de la instalación. –
Las señales grandes pueden transportarse por medio de cables de un tipo seleccionado arbitrariamente, ruteados sin particular cuidado y conectados a los equipos sin la observación de los procedimientos recomendados. Los puertos de los equipos deben entonces ser capaces de aceptar estas grandes señales y separarlas de las perturbaciones inducidas por el cableado.
–
Las señales pequeñas pueden transportarse a través del mismo entorno electromagnético agresivo, por medio de un cable seleccionado cuidadosamente, ruteado convenientemente y conectado correctamente a los equipos. Este procedimiento puede ser usado para optimizar la EMC, pero requerirá la observancia de los principios de EMC, como los definidos en este reporte técnico.
En realidad, la EMC puede obtenerse por diferentes vías. No es posible presentar una única y sola solución. Por tanto, este reporte técnico proporciona directrices y un amplio rango de recomendaciones generales. La conformidad con estas directrices y recomendaciones mejorará la ejecución de la EMC de la instalación. En la selección de un cable, su conexión en los dos extremos y su recorrido, deberá considerarse un número de factores. a) Las señales a ser transportadas –
Ellas pueden estar concentradas en ciertas bandas de frecuencia o señales de onda (cuasi-) continua (CW); la potencia transmitida como d.c., a.c. 50 Hz o 60 Hz se considera equivalente a una señal. Además, hay señales en la banda de audiofrecuencia que pueden también extenderse a algunos megahertzios, como, por ejemplo, la telefonía de alta velocidad, video y señales de alta frecuencia.
–
Señales de pulso: duración, frecuencia de repetición, frecuencia de las ráfagas de impulsos, tiempo de subida y bajada, límites superior e inferior del rango de frecuencia de interés.
–
El nivel de la señal: medición y control de bajo nivel, tales como las señales de un termopar (en el rango de microvolts), salidas de computadoras (un rango de 24 V); energía de a.c. (1000 V).
b) El tipo de perturbaciones esperadas De onda continua, de ráfaga de impulsos, de pulso, de rayos o inducida por rayos, fallas del sistema de energía; el tipo y la severidad dependen de la aplicación y de la instalación en el entorno. c) El tipo de aparatos a conectar Características de los puertos: impedancia de modo diferencial (DM) y de modo común (CM); terminación de las señales de HF en la impedancia característica; distinción entre perturbaciones dentro de la banda de frecuencias de la señal de interés y fuera de esta banda; el comportamiento no lineal de los puertos, las características de sobrecarga para DM y CM, onda continua y pulsante.
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Tienen que establecerse los requisitos para un nivel de perturbaciones aceptable en los dos extremos del cable. Ni el cable ni el cableado deberán degradar la operación prevista. Se debe hacer hincapié en que solamente puede obtenerse un nivel de confianza estadística. La instalación total determina qué cantidad de perturbación es aceptable. En instalaciones críticas (plantas electronucleares, plantas de proceso químico) no está permitido una interrupción en el funcionamiento. En instalaciones menos críticas, puede ser aceptable una interrupción corta, siempre que se garantice una operación normal o segura después de la interrupción, de forma automática o por la acción humana. Una vez que ha sido seleccionada una proposición de EMC, con un diseño conveniente, una correcta selección del cable, las conexiones y el ruteado, ella debe ser estrictamente cumplida. Las ampliaciones o alteraciones futuras tienen que ser compatibles con la proposición seleccionada. Es preferible tener una persona competente técnicamente con suficiente autoridad, responsable por el diseño de la EMC todo el tiempo, para garantizar el mantenimiento de la proposición de EMC seleccionada. 7.2
Circuitos de modo común y diferencial, impedancia de transferencia Z t
Se presenta un modelo simple, el que será usado a través de todo este reporte, para representar el acoplamiento de las perturbaciones a lo largo de un cable y los aparatos electrónicos. Diversos libros de texto tratan también esta materia; se repiten aquí los puntos esenciales debido a que muchos ingenieros de experiencia, así como recién graduados, pueden no estar familiarizados con el tema. En el anexo B y en la bibliografía (anexo D) se presenta más información sobre la materia. Estrictamente hablando, el modelo es válido solamente para las bajas frecuencias, donde la longitud de onda es mucho mayor que la longitud del cable. Para altas frecuencias se necesitan cálculos más precisos. Sin embargo, las medidas de atenuación presentadas siguen siendo válidas, o son aún más necesarias. 7.2.1
Los dos circuitos
Una fuente de señal (impedancia de salida Z S ) se conecta a una carga (impedancia Z L ) por medio de un cable de longitud l (figura 17). Cualquier señal de conexión involucra al menos dos hilos, señal y retorno, entre equipos. Un cable coaxial o un cable bifilar es un ejemplo común. La fuente, la carga y los dos hilos forman un circuito de modo diferencial (DM). Este circuito se define entonces exactamente como un lazo cerrado de corriente.
NOTA Dos hilos interconectan una fuente de señal (Tensión de la señal U S , con impedancia de salida Z S ) y una carga con impedancia Z L . Los hilos, la fuente y la carga forman un circuito de modo diferencial (DM). Para simplificar, se asume que Z L es mucho mayor que Z S . La tensión de DM sobre la carga U DM es importante; U DM consiste de algunas fracciones de la salida de la fuente de señal U S y una perturbación añadida U dist debida al acoplamiento con el circuito de CM vía la impedancia de transferencia Z t . El circuito de CM puede estar conductivamente cerrado. Sin cierre conductor (mostrado en el origen del cable), el lazo de CM se cierra a HF a través de las capacitancias, deliveradamente puestas allí o parásitas; puede aparecer una tensión U CM sobre estas capacitancias. La propia corriente CM puede ser conducida por una corriente externa I ext la cual fluye a través de la tierra (línea intensa) y/o por un flujo magnético externo a través del lazo de CM.
Figura 17 – Circuito de modo diferencial y circuito de modo común para un sistema desbalanceado de transmisión de señal
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Además, los dos hilos siempre forman un segundo circuito que se cierra en alguna parte, aún cuando no esté incluido en la inmediata vecindad del circuito. Este circuito de modo común (CM) consiste de uno o dos hilos, los aparatos y la tierra más cercana. El sistema de puesta a tierra tratado en la cláusula 5 forma parte del circuito de CM. Aún sin ninguna continuidad conductiva, el circuito de CM está presente y se cierra a través de las capacitancias locales (parásitas o colocadas allí intencionalmente) entre el cable, los aparatos y la tierra (vea la figura 22). La corriente I CM se origina en fuentes tales como: –
la caída de tensión debida a I ext sobre una parte del sistema de puesta a tierra;
–
un flujo magnético a través del lazo de tierra (CM) causado por una corriente en el sistema de puesta a tierra I ext (tal como rayos o fallas del sistema de potencia) o fuentes externas tales como transformadores, transmisores u otros equipos generadores de perturbaciones.
La distribución de I CM sobre los dos hilos depende de: –
el tipo de cable, tal como dos hilos paralelos o un cable coaxial;
–
la conexión eléctrica en los dos extremos, balanceada o desbalanceada, y las impedancias de DM y CM.
En algunos aparatos, las partes reales eléctricas o electrónicas podrían estar aisladas con respecto a la envolvente. En la figura 17 se asumió que esto es válido para la electrónica de la fuente de señal. En tal caso, el lazo de CM se cierra, por ejemplo, a través de la capacitancia entre la electrónica y la envolvente, tomada por el momento como metálica. Aún si la envolvente se conecta a tierra, puede aplicarse la idea de la figura 17. El lazo de corriente de CM sigue siendo pertinente; la tensión de CM correspondiente se encuentra entre el lado de baja tensión de la electrónica y la envolvente. Considerando una sóla I ext podría ser muy simple cuando el sistema de puesta a tierra se vuelva más complejo. Vea B.2 para una información adicional. 7.2.2
Acoplamiento entre los circuitos
El acoplamiento entre los circuitos de CM y DM causa perturbaciones en el circuito de DM. El acoplamiento se describe mediante dos parámetros: la impedancia de transferencia Z t y la admitancia de transferencia Y t . Contribuciones separadas a Z t provienen de: a) los cables o hilos, distribuida sobre toda su longitud; b) las conexiones terminales en cada aparato. Aproximado a las LF, la contribución de la perturbación a la tensión total de DM U dist en la carga debida a la corriente en el circuito de CM I CM se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación (1). Z t = U dist / I CM
(1)
cuando Z L es mucho mayor que Z S ; cuando Z L y Z S son de la misma magnitud, la tensión U DM y consecuentemente U dist son disminuidas por un factor Z L / (Z L + Z S ). Vea un ejemplo detallado en B.3. La impedancia de transferencia de un cable se especifica a menudo por unidad de longitud, Z ’ t . A baja frecuencia, la Z t total se convierte en Z t ℓ siendo ℓ la longitud del cable. A alta frecuencia, cuando la longitud de onda se hace comparable a la longitud ℓ , el acoplamiento se calcula en cada parte infinitesimal del cable; el valor final de U dist se obtiene por integración de un extremo a otro de la longitud del cable, tomando en cuenta el tiempo de demora (vea por ejemplo Vance, 1976 [6]). Las impedancias de transferencia en la fuente y en la carga son a menudo determinadas por los conectores y por su montaje en una estructura puesta a tierra.
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El circuito de CM puede ser grande. En un sistema de puesta a tierra de baja impedancia, hay que tener en cuenta una corriente de CM intensa sobre un rango de frecuencias amplio. El acoplamiento de I CM a través de Z t es a menudo más importante que la inducción directa por los campos magnéticos en el lazo pequeño de DM. Algunos puertos tratados en la cláusula 4 son puertos no intencionales y pueden formar parte del lazo de CM. El puerto de la envolvente es un ejemplo. Otro tipo de acoplamiento ocurre vía una admitancia de transferencia Y t ; muy a menudo Y t es una capacitancia parásita, Y t = ω · C t . El acoplamiento vía Z t es frecuentemente más importante. Por ejemplo, para un cable coaxial con un conductor sólido exterior, Y t es cero a todas las frecuencias, mientras Z t se aproxima a la resistencia del conductor exterior a baja frecuencia. En muchos casos, una baja Z t implica una baja Y t . Para diferentes tipos de cables, Z t y Y t varían en un rango amplio. En particular Z t se comporta diferente en función de la frecuencia. Para cables apantallados, Z t está determinada principalmente por la construcción de la pantalla. La admitancia de transferencia Y t también depende de los parámetros del circuito de CM y del circuito externo. Una noción importante es la identificación de los dos circuitos. Los dos parámetros de transferencia generalizados son creados para el acoplamiento entre los circuitos de CM y DM. Este acoplamiento ocurre localmente, en cada posición a lo largo de los circuitos. La principal ventaja de esta descripción es que el efecto de las medidas de atenuación locales contra las interferencias se convierten en aparentes. En función de obtener el nivel de perturbación final en los dos extremos del cable, es necesario sumar o integrar las contribuciones locales. Los dos parámetros de transferencia también describen el acoplamiento de la perturbación en otra dirección, DM a CM; esto es, ellos son recíprocos. Parámetros similares representan el acoplamiento entre dos circuitos adyacentes de DM, por ejemplo, entre señal y potencia, entre varias líneas de datos, o entre entrada y salida. Un acoplamiento bajo de las perturbaciones puede obtenerse de dos formas, por una reducción de I CM , o por una baja Z t . La reducción de la Z t total se trata a través de todo este reporte. La corriente I CM a través del propio cable de señal puede reducirse reconduciéndola vía un conductor paralelo (vea 7.5). Alternativamente, la impedancia del lazo de CM puede hacerse alta por medio de una impedancia local o también por una interrupción (separación eléctrica a la d.c.). Debe considerarse cuidadosamente la posición de esta alta impedancia local y su capacidad de soportar una alta tensión. Dispositivos típicos para obtener la separación son transformadores de segregación, optoacopladores, o fibras ópticas; su discusión se difiere a la cláusula 8. Los cables también interactúan con los campos electromagnéticos. Las directrices de EMC presentadas en este reporte se dirigen a obtener un bajo valor de Z t con respecto a las corrientes en los conductores de puesta a tierra cercanos. Un bajo valor de Z t implica una baja interacción con los campos electromagnéticos. 7.3
Juego de reglas de EMC para los cables y el cableado
Las directrices presentadas en este reporte se derivan del siguiente conjunto de principios de EMC. La conformidad con los principios disminuirá la susceptibilidad e incrementará la inmunidad a las perturbaciones, simultáneamente. Mientras que este reporte técnico, como se dijo en la cláusula 4, no puede presentar reglas obligatorias, los principios presentados aquí deben considerarse como metas deseables de alcanzar y, por tanto, están formulados como reglas objetivas.
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a) Considerar lazos de corriente cerrados y completos para los circuitos de DM y de CM, y también para los cicuitos externos cercanos pertinentes. –
Como se mencionó en 7.1 c), cualquier conexión entre puertos de diferentes aparatos siempre se considera como un puerto de dos terminales: una entrada de potencia o de señal solamente en combinación con sus retornos, los que tienen que ser colocados en su inmediata vecindad. La corriente y la tensión de DM en los puertos son de gran importancia. Primero ellas comprenden la señal o potencia de interés. Además, las perturbaciones presentes provienen del acoplamiento entre los circuitos de DM y de CM vía Z t y Y t .
–
Los cables son a menudo antenas grandes y efectivas, que transportan las corrientes de CM a los aparatos. Estas corrientes pueden causar interferencias no solamente en los circuitos de entrada y de salida directamente conectados a los terminales, sino también en los circuitos más profundos internos de estos aparatos.
–
Otros circuitos de interés están formados por conductores tales como tuberías de agua, tubos pertenecientes a sistemas de calefacción central o sistemas de aire acondicionado. Como se dijo en 4.7 de la IEC 61000-5-1, aún un pequeño fragmento puede actuar como una antena de HF, y transportar una corriente de CM a los aparatos.
b) Hacer todos los circuitos de DM compactos y, de esta forma, inmunes a los campos eléctricos y magnéticos locales. –
Esta regla implica, para cada circuito de DM, un cable individual de tipo par balanceado, preferiblemente trenzado; el circuito de DM puede estar balanceado o desbalanceado. Para un cable coaxial, la corriente de DM que circula a través del conductor interior retorna a través del conductor exterior; este cable es compacto por su naturaleza a condición de que el conductor exterior se conecte en los dos extremos.
–
Los conectores en los extremos de un cable son parte integral del circuito de DM; un conector malo (alta Z t ) arruina un buen cable. La disposición de la conexión y la disposición en los aparatos tiene una gran influencia en la Z t total y en la calidad de la EMC. Las pantallas se conectan con preferencia circunferencialmente a superficies buenas conductoras, tales como paredes de gabinetes, en el punto donde entran los cables. Las conexiones de rabo de cochino no son ciertamente recomendadas en ese punto (vea también 7.9).
c) Mantener los circuitos de DM cercanos a elementos puestos a tierra. En realidad, para la EMC se requiere una baja impedancia de transferencia de la corriente a través del elemento puesto a tierra con respecto al circuito de DM. La impedancia de transferencia también depende de la sección transversal del elemento puesto a tierra y de la posición del cable en el elemento puesto a tierra. Elaboraciones adicionales se dan en e) y en el resto de este reporte. d) Se permiten lazos de tierra. En sistemas de puesta a tierra mallados, los lazos de tierra son una medida de atenuación efectiva contra las interferencias causadas por corrientes y campos EM de fuentes externas. Es perfectamente aceptable, una corriente de CM circulando a través de un lazo de tierra consistente en un conductor de tierra en paralelo, garantizando que la impedancia de transferencia de tal lazo con respecto a los circuitos de DM cercanos sea baja. Vea la cláusula 5 para más detalles sobre los sistemas de puesta a tierra. e) En sistemas de puesta a tierra mallados, debe instalarse un conductor, puesto a tierra al menos en los dos extremos, paralelo a los cables entre los aparatos. En sistemas de puesta a tierra mallados, este conductor-de tierra-en paralelo (PEC) debe transportar la mayor parte de la corriente perturbadora I CM y apartarla de los cables propios de la instalación. Ejemplos son el hilo de tierra en un cable de potencia, la pantalla de un cable, un conducto para alojar los cables, etc. El área total de la sección transversal está regida por la amplitud de la corriente cuasi-continua que se espera que circule por el conductor de tierra. El calentamiento óhmico tiene que mantenerse aceptablemente bajo. La forma del conductor la dictan los requisitos de EMC (vea 7.5 y el anexo C).
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Separar electromagnéticamente los circuitos de alta potencia y baja potencia o los circuitos de DM de señales. Existe un número de métodos de atenuación para las interferencias; esto se presenta en detalle en 7.7 y 7.8. La separación electromagnética puede involucrar una separación física.
g) Considerar el rango de frecuencias total para el que las perturbaciones pueden conducirse a lo largo de un cable (DM y CM) antes que la banda de las señales de interés, a menudo más restringida. Cuando los interruptores abren o cierran, la ruptura dieléctrica (comienzo del arco) causa transitorios rápidos de nanosegundos, aún en líneas de potencia de d.c. h) Limitar el rango de frecuencias para las señales de DM al mínimo; limitar la sensibilidad de los puertos al rango de frecuencias absolutamente necesario por el uso de filtros u otros medios. –
Un ejemplo típico es un cable plano para la comunicación entre una impresora y una computadora (Goedbloed, 1990 [7]; Benda, 1994 [8]). La transferencia de datos es bastante baja; deberán usarse solamente los pulsos rápidos necesarios para una buena comunicación. Como un segundo ejemplo, una entrada de energía d.c. o LF puede ser fuertemente filtrada en el punto de entrada a los aparatos.
–
Aquí la ejecución de la EMC debe optimizarse con respecto a la economía y la confiabilidad. Los filtros en los puertos de un aparato pueden ser una solución económica, especialmente cuando sólo se esperan perturbaciones fuera de la banda de interés. También reducen estas interferencias la aplicación de medidas de EMC extensas en los cables. Una solución óptima equilibra ambos procedimientos.
7.4
Tipos de cables y el uso de ellos con respecto a la EMC
Para señales de LF y de control se usan frecuentemente cables bifilares (dos hilos paralelos, trenzados o no). Los dos hilos deberán usarse para la señal y el retorno. En cables multiconductores, cada conductor de señal deberá tener cercano su propio retorno (vea 7.3 b)); los dos conductores deberán ser trenzados. En cualquier caso, los hilos de señal y retorno deberán estar en el mismo cable. En cables apantallados bifilares o multiconductores, la pantalla deberá considerarse como un PEC. En principio, la pantalla se pone a tierra en los dos extremos, así proporciona una trayectoria a la corriente I CM . Cuando está presente más de una pantalla, la pantalla exterior es el PEC, la que deberá ponerse a tierra en los dos extremos. Las pantallas interiores o los conductores de tierra también pueden ponerse a tierra en un extremo o en los dos (vea también 7.6). Las señales de alta frecuencia comúnmente se transportan a través de cables coaxiales. El conductor exterior deberá conectarse a los aparatos en los dos extremos del cable, cerrando así el circuito de DM. Cuando el lado de baja tensión del puerto de los aparatos se conecta a una tierra local, esta regla implica que el conductor exterior (pantalla) se pone a tierra allí. Se usan cables coaxiales con conductores exteriores múltiples cuando se exige una baja Z t . Los conductores exteriores pueden ponerse directamente unos sobre otros, o estar aislados unos con respecto a otros. Metal-Mu o ferrita entre los conductores exteriores reduce adicionalmente la Z t (cables superapantallados). Muchas veces todos los conductores exteriores se interconectan en los dos extremos del cable, y se ponen a tierra. En algunas aplicaciones el conductor exterior de más afuera se usa como un PEC y los conductores exteriores, interiores a éste, se conectan sólo al circuito de DM (tal vez flotante). Los cables de fibra óptica encintados se usan frecuentemente para la transportación de señales bajas de datos digitales. Cada conductor de señal deberá tener cercano su propio retorno. Estos cables se prefieren apantallados, con la pantalla correctamente puesta a tierra en los aparatos en los dos extremos.
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Tipos de conductor de tierra en paralelo (PEC)
Para la EMC se prefiere rutear el cable a lo largo de un PEC, el que está conectado en los dos extremos a la tierra local de los aparatos. En 7.3 e) se mencionan algunos ejemplos. El PEC deberá formar una estructura metálica continua, buena conductora, en toda su longitud. Un PEC bien seleccionado aparta la corriente de CM del circuito de DM, el cable o su pantalla. Esto reduce eficazmente la Z t de la combinación del PEC y la pantalla. La forma del PEC influencia fuertemente la Z t de HF. En función de disminuir la Z t de HF se listan: un alambre, una placa, un conducto en forma de U, una pantalla o un tubo sólido. En la figura 18 se presentan valores típicos de la parte de HF de la Z t . A las altas frecuencias, estas dos estructuras proporcionan una separación electromagnética entre el interior y el exterior debido al efecto pelicular.
NOTA Los valores típicos de Z t a HF se dan como inductancia mutua M en nH/m. Los valores de Z t a HF dependen más de la forma del PEC que de su sección transversal total.
Figura 18 – Efecto de la configuración de un conductor de tierra en paralelo sobre la impedancia de transferencia para cables coaxiales
En C.2 se da más información sobre el valor de Z t , en particular sobre la Z t de los conductos. La tensión perturbadora de DM final se calcula de acuerdo con C.1. Entre el PEC y la pantalla del cable se forma un lazo de tierra como un circuito intermedio. La impedancia del lazo puede hacerse alta, por ejemplo, por bobinas de inductancia de CM colocadas alrededor de la pantalla del cable (vea la cláusula 9). La impedancia alta reduce la corriente I IM en ese circuito intermedio y con eso, la tensión perturbadora de DM final en el extremo del cable. Una vez que se ha seleccionado una forma particular para un PEC como la mínima exigida, esta deberá continuarse en toda su longitud. Por ejemplo, cuando se exige un conducto en forma de U, este conducto deberá conectarse en toda su sección transversal al gabinete en los extremos. Un solo terminal corto como conexión proporciona una Z t local alta (particularmente a las altas frecuencias) y degrada la ejecución de la EMC total para todos los cables en el conducto. Note que el término conducto incluye bandejas portacables donde sea pertinente. Las pantallas de los cables (multiconductores) sirven muy bien como PEC. El cable coaxial es un caso especial; el conductor exterior sirve como una trayectoria para la señal de DM y la corriente de CM. En B.3 se da más información sobre el acoplamiento de las perturbaciones en los cables coaxiales. 7.5.1
Conductos y bandejas portacables como conductores de puesta a tierra en paralelo
Un conducto o una bandeja portacables como PEC deberá formar una estructura metálica continua. Cuando el conducto está hecho de varias partes más pequeñas, deberá tenerse cuidado de asegurar esta continuidad por una interconexión eléctrica correcta entre las diferentes partes. Preferiblemente, las partes se sueldan en todo su perímetro. Se permiten uniones remachadas o atornilladas, garantizando que las superficies en contacto sean buenas conductoras (no estén pintadas) y que estén protegidas contra la corrosión.
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Todas las pantallas y quizás otros conductores puestos a tierra que entran a un conducto deberán conectarse convenientemente al conducto en el punto de entrada. Esto permite un intercambio de las corrientes de modo común entre estos cables y el conducto. Debido a los flujos arribantes de la corriente de CM en un circuito que cierra en el exterior del conducto, esta corriente también tiende a fluir en el exterior antes que entrar en el interior del conducto. Frecuentemente los conductos tienen ranuras para la sujeción fácil de los cables. Las menos perjudiciales de estas son los pequeños huecos (figura 19), tapados con tornillos. La posición más deseable de las ranuras es paralela al conducto, a alguna distancia de los cables. Las ranuras largas en paralelo perturban levemente el patrón de la corriente de CM y producen algún acoplamiento, aunque pequeño. Las ranuras no deberán colocarse en las esquinas de un conducto porque la corriente perturbadora tiende a concentrarse allí. Ranuras perpendiculares al eje del conducto fuerzan a la corriente perturbadora que circula a través del conducto a realizar un gran rodeo y por tanto producen un fuerte acoplamiento; estas ranuras no son recomendadas.
NOTA No se recomiendan las ranuras en un conducto o bandeja portacables en las posiciones y orientación indicadas por NR. Si por algunos requisitos no relacionados con la EMC, las ranuras son absolutamente necesarias, la posición menos perjudicial es paralela al eje (A), si es posible a alguna distancia de los cables y de las esquinas de las bandejas. Se recomienda asegurar los cables con grapas (R) atornilladas al conducto. El primer objetivo de EMC de estas grapas es conectar eléctricamente la pantalla del cable, u otro PEC del propio cable, al conducto.
Figura 19 – Ranuras en conductos y bandejas portacables
Los conductos pueden tener derivaciones (figura 20), u otros puntos intermedios donde los cables entren. Se prefieren las derivaciones y deberá mantenerse intacta la separación del interior y el exterior. Los cables entran a lo largo de una placa conectada a la pared lateral de un conducto. Como una segunda opción, la pantalla de un cable se conecta convenientemente, desde el punto de vista de la EMC, en el punto de entrada al conducto. Ciertamente, ningún cable deberá entrar a un conducto directamente, sin una trayectoria conveniente para el avance de la corriente perturbadora en el conducto. Una pantalla protectora aislante tiene que ser interrumpida allí, en función de permitir el contacto deseado.
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NOTA Un cable que sale del conducto deberá tener la pantalla conectada circunferencialmente al conducto en el punto de salida (A, aceptable). Ningún cable deberá dejar el conducto (NR) sin la provisión una trayectoria bien conductora para su corriente de CM (vea la figura 22a); compare con R en la figura 19. En esta figura se muestra una bandeja portacables poco profunda para ganar en claridad. Se reconoce que este es un procedimiento altamente deseado que puede no ser fácil de implementar y no siempre es necesario, pero que puede ser útil para instalaciones inmersas en entornos agresivos.
Figura 20 – Configuración recomendada para bandejas portacables con derivaciones
Un cable apantallado dentro de un conducto puede describirse en forma similar a un cable apantallado con dos conductores exteriores. La pantalla conectada al conducto en los dos extremos puede describirse similarmente a un cable coaxial con doble pantalla, con las dos pantallas interconectadas (vea también B.3). En C.2 se presentan cálculos detallados de la Z t como una función de la forma del conducto (material, ancho, profundidad y espesor de pared). Uno de los tipos preferidos de conducto es el hecho con 1 mm como mínimo; la relación de la profundidad sobre el ancho debe ser 1 aproximadamente o mayor. Una tapa que cierre el conducto también reduce la Z t . Se prefiere conectar eléctricamente la tapa al conducto en toda su longitud. Sin embargo, una tapa aislada también puede ser efectiva a las altas frecuencias, como se discute en C.2.3. 7.5.2
Elementos de la construcción como conductores de tierra en paralelo
Los elementos metálicos de la construcción de las edificaciones pueden servir muy bien a los objetivos de la EMC. Las vigas de acero en forma de L, U, T o H forman frecuentemente una estructura continua puesta a tierra que ofrece grandes secciones transversales y grandes superficies con varias conexiones intermedias a tierra. Debido a que el material tiene un espesor de varios milímetros, tales vigas proporcionan ya una baja Z t a las frecuencias de la línea de potencia. Los cables se tienden preferiblemente contra tales vigas. Se prefiere el recorrido por dentro de las esquinas antes que sobre las superficies exteriores (figura 21).
NOTA Menos preferida que R, pero todavía aceptable para la EMC, la posición A probablemente será objetada desde el punto de vista de la seguridad. La posición NR no se recomienda desde el punto de vista de la EMC, y es objetable desde el punto de vista de la seguridad.
Figura 21 – Posición recomendada de los cables, en paralelo a una viga en H, desde el punto de vista de la EMC
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Conexión y puesta a tierra de cables y conductores paralelos puestos a tierra
El circuito de DM tiene que ser compacto. Los conductores de señal y de retorno tienen que conectarse a los aparatos en los dos extremos del cable. Si los puertos de los dos aparatos tienen sus retornos o lados de baja tensión puestos a tierra, esta regla también implica que los conductores de retorno se pongan a tierra en los dos extremos del cable. En algunos casos, uno de los puertos tiene el lado de baja tensión flotante, o conectado a una tierra local a través de una alta impedancia; deberá esperarse que haya una tensión grande de CM por causa de esta interrupción del circuito de CM. Los equipos entonces deberán estar diseñados para hacer frente a esta tensión de CM, en todo su espectro y en las amplitudes que se esperan. Si un PEC está presente, siempre deberá conectarse a la tierra local (preferiblemente una pared metálica grande del gabinete de los aparatos) en los dos extremos, de tal forma que la Z t local sea baja: –
un solo conductor como PEC se pone a tierra a través de una conexión corta;
–
una placa o conducto como PEC se pone a tierra en una sección transversal grande, preferiblemente su sección transversal total;
–
una pantalla o tubo como PEC se pone a tierra en todo su perímetro, por medio de un prensaestopas apropiado u otro accesorio;
–
no deberá usarse una conexión de rabo de cochino (figuras 22 y 26) en cualquiera de los dos extremos del cable.
El objetivo principal del PEC es transportar la mayor parte de la I CM . Cuando un PEC, tal como un conducto o pantalla, se instala correctamente, los requisitos de EMC para los circuitos de DM en el interior se hacen menos estrictos. Ejemplo: Una señal de termopar (casi d.c.) se transporta por un cable de dos conductores en el interior de una pantalla; la pantalla se conecta a tierra en los dos extremos. El termopar también se pone a tierra. La entrada del amplificador del receptor puede tener su lado de baja tensión flotante (para las LF); la tensión de CM entre el lado de baja tensión y la tierra local está limitada por el PEC. Pantalla
Aislamiento
NOTA Cuando un cable apantallado atraviesa una pared metálica de la envolvente de un aparato o de un gabinete, la pantalla deberá conectarse en todo su perímetro a la pared (a), preferiblemente por medio de un prensaestopas apropiado (G). La pantalla nunca atravesará la pared sin establecer contacto eléctrico (b). No se recomienda una conexión de rabo de cochino (c), ni siquiera por un alambre recto corto debido a la Z t local alta que se produce; sólo una parte de la I CM pasará a través de la pared debido a la conexión de rabo de cochino.
Figura 22 – Penetración de un cable apantallado a través de una pared de una envolvente
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Para distancias muy largas, se recomiendan conexiones adicionales del PEC al sistema de puesta a tierra a intervalos (tal vez irregulares) entre los aparatos. Estas conexiones extras proporcionan una trayectoria de retorno temprano a través del PEC para la corriente perturbadora. Para conductos en forma de U, pantallas y tubos, las conexiones de puesta a tierra adicionales deberán hacerse en el exterior, preservando la separación con el interior. Deberá considerarse que corrientes grandes de CM podrían fluir a través del PEC en la industria pesada, o en subestaciones de alta tensión, o en caso de fallas de potencia, o cuando el PEC también forma parte del sistema de protección contra rayos. Dos procedimientos están disponibles. Primero el propio PEC puede estar diseñado para soportar la gran corriente de CM y proporcionar suficiente protección a los circuitos de señales interiores por medio de una impedancia de transferencia baja. Generalmente, un cable apantallado como PEC podría ser incapaz de hacer frente a estas corrientes grandes. El procedimiento alternativo es entonces seleccionar el ruteo conveniente del cable y llevar el cable a lo largo de los elementos metálicos de la construcción o conductos, que actúan entonces como otro PEC para la pantalla del cable. Puede adoptarse una solución alternativa para la protección contra las fallas de potencia debido a que la corriente perturbadora tiene una frecuencia baja y conocida. Esta solución es un capacitor, para poner a tierra la pantalla en un extremo (tierra capacitiva), bloquear la corriente de la frecuencia del sistema en el lazo de CM, y puede todavía proporcionar una trayectoria para las corrientes perturbadoras de HF. Tal solución exige un capacitor de buena calidad, de baja inductancia, montado en tal forma que la Z t local sea baja. Además, la entrada de los aparatos conectados tiene que soportar la tensión (grande) de CM a la frecuencia del sistema, y también la parte restante de la tensión de CM a las frecuencias más altas. Este capacitor no deberá insertarse en la pantalla, ya que esta práctica produciría una Z t local alta. 7.7
Ruteo general de los cables
El ruteo de un cable deberá ser diseñado cuidadosamente. Los requisitos de EMC dictan la trayectoria a seguir, y el diseño de los conductores de puesta a tierra en paralelo a los cables (PECs), su presencia, sus conexiones a la estructura de puesta a tierra, su sección transversal y forma. En cualquier caso, los requisitos de EMC prevalecen sobre consideraciones prácticas, conveniencias de montaje, y aspectos estéticos. Esto no excluye la posibilidad de que estas consideraciones secundarias y los requisitos de EMC puedan cumplirse simultáneamente. Para la señal de interés, la distancia más corta permitida en una instalación particular será seleccionada teniendo en cuenta el amortiguamiento, la sección transversal del cobre, etc. Los requisitos de EMC alteran esta selección dentro de la distancia más corta protegida convenientemente. 7.7.1
Cableado entre aparatos en un gabinete
El tipo de gabinete preferido tiene al menos una pared metálica continua bien conectada a tierra (vea también las cláusulas 5 y 6). Los cables se colocan preferiblemente contra la pared y se rutean siguendo la distancia más corta entre las conexiones de los aparatos. No se recomiendan gabinetes en los que las paredes no forman un conductor metálico continuo, tales como aquellos pintados antes de montarlos, o montados con solamente unos pocos tornillos. En tales gabinetes, sin embargo, pueden usarse vigas verticales u horizontales como PEC si las vigas se ponen a tierra convenientemente.
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Se permite la conexión más corta posible entre dos equipos si está presente el PEC garantizando una Z t suficientemente baja. Una excepción a esta regla puede ser un cable que alimenta un aparato, para el cual la inmunidad de CM (corriente y/o tensión), es suficientemente alta para todas las perturbaciones probables de ocurrir dentro del entorno de esa aplicación. 7.7.2
Cableado entre gabinetes
Se recomienda un cable en combinación con un PEC. Como se evidencia de la figura 18, tal PEC puede ser el conductor de tierra de protección en un cable; un mejor funcionamiento para la EMC lo ofrece una pantalla actuando como PEC. Los conductos pueden llevarse paralelos a las pantallas de los cables. Las pantallas y el conducto deberán conectarse convenientemente a la pared del gabinete: las pantallas por todo su perímetro con prensaestopas apropiados, los conductos por toda su sección transversal. 7.7.3
Cableado entre instalaciones o entre edificaciones
Para grandes distancias entre edificaciones, son deseables algunas formas apropiadas del PEC. Como se discutió en 7.6, las conexiones adicionales de puesta a tierra del PEC reducen la corriente perturbadora en toda la longitud del PEC. Los cables frecuentemente se hacen un haz y se transportan en bandejas metálicas. Las bandejas metálicas también deberán (inter)conectarse para maximizar sus beneficios de EMC, y tratarse como un PEC. Como mínimo, las bandejas se conectan en sus dos extremos a tierra y a los aparatos alimentados por los cables. No se recomiendan bandejas no conductoras, pero pueden usarse cuando se proporcionan otros PEC. Son posibles varias formas de bandejas: una bandeja metálica de tipo escalera tiene una calidad limitada para la EMC. Una placa, un conducto en forma de U, y una pared sólida o tubería soldada continuamente dan un mejor funcionamiento. Una bandeja de tipo escalera tiene dos vigas laterales con travesaños entre ellas. Para la EMC, las vigas laterales son las más importantes, debido a que ellas forman la trayectoria, para la corriente perturbadora, paralela a los cables. Por lo que a la EMC le toca, las vigas pueden considerarse como dos conductores en paralelo, como en 7.5. 7.7.4
Distancia entre conductos
Bandejas portacables o conductos diferentes pueden llevarse paralelos sobre distancias apreciables. La interferencia de DM a DM entre los cables que ellas contienen puede hacerse importante. La distancia mutua recomendada entre los cables en las bandejas depende de dos parámetros, primero de la calidad de la bandeja como PEC, lo que significa una Z t baja, segundo de la interferencia de DM a DM, lo que puede exigir un apantallado contra los campos (magnéticos) causados por las propias corrientes de DM. Un conducto o tubo profundo, de suficiente espesor de pared, puede proporcionar los dos parámetros simultáneamente; frecuentemente ellos se pueden llevar cercanos unos de otros.
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Un caso especial es la interferencia de DM a DM entre cables que transportan altas corrientes a la frecuencia del sistema de potencia y cables de señal de bajo nivel. Hay varias posibilidades. •
Apantallado contra el campo magnético – Una sola pantalla puede circundar los conductores monofásicos o trifásicos y el neutro. Una pantalla trenzada raramente proporciona suficiente apantallado, a las frecuencias del sistema de potencia, contra los campos magnéticos locales. Pudiera necesitarse un apantallado adicional por medio de un PEC, perteneciente a los cables del sistema de potencia, o perteneciente a los cables de señal. Esta reducción de la interferencia exige tubos separados o conductos profundos, con un espesor de pared suficiente de, al menos, 2 mm de acero (vea el apantallado en B.5, así como en 7.5).
•
Reducción del campo magnético por el trazado – El conductor de potencia puede equiparse con su propia pantalla, la que deberá conectarse en los dos extremos del cable a los aparatos. La inducción magnética causa un flujo de corriente en cada pantalla opuesto a la corriente que circula en los conductores interiores. El campo magnético en el exterior de la pantalla se reduce. Esta reducción se debe más a la posición estratégica de cada pantalla, que a una pantalla efectiva. Una reducción suficiente puede obtenerse por una solución menos radical, cuando los cables del sistema de potencia se colocan paralelos y cercanos unos de otros, y se montan directamente contra un PEC de suficiente espesor. Este montaje disminuye el tamaño del circuito de CM. Adicionalmente, en el PEC se forma un circuito imagen de espejo, lo que reduce el campo magnético a alguna distancia de los cables de potencia. Un conducto o bandeja con una partición (figura 23) proporciona una reducción adicional cuando se le compara con un conducto simple.
Figura 23 – Bandeja con partición
•
Reducción del campo magnético por distancia – Una tercera opción es mantener alguna distancia entre conductos (poco profundos) para los diferentes tipos de cables. La experiencia sugiere un orden escalonado como se muestra en la figura 24. Las distancias entre los diferentes conductos deberán ser mayores de 0,15 m, en dirección vertical u horizontal. El conducto que contiene los cables de medición sensibles preferiblemente será cubierto cuando está a una distancia de menos de 1 m de los cables de potencia de altas corrientes.
Cables Cables Cables Cables
de de de de
potencia de media tensión potencia de baja tensión circuitos auxiliares control
Cables de medición
NOTA En el caso de conductos o bandejas portacables escalonados que contienen diferentes tipos de cables, se aconseja una distancia mínima entre las bandejas de 0,15 m. Las bandejas se conectarán eléctricamente a los soportes verticales. Los conductos para las señales de medición de bajo nivel deberán taparse.
Figura 24 – Ejemplo de escalonamiento para conductos o bandejas
61000-5-2 TR3 IEC:1997 7.8
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Haces de cables
La interferencia de DM a DM entre cables diferentes merece atención. Los cables que transportan señales similares frecuentemente pueden liarse juntos. Los cables que transportan señales diferentes tienen que ser diferenciados (Goedbloed, 1990 [7]) entre cables que son: –
muy sensibles:
cable que transporta señales de baja tensión o baja corriente, tales como los provenientes de sensores;
–
sensibles:
cable de señales de ≤ 24 V, cable plano para transferencia de datos en paralelo;
–
indiferentes:
sistema de a.c. entre 100 V y 250 V, en dependencia de las propiedades de EMC de los aparatos conectados;
–
ruidosos:
línea de alimentación a relé en a.c. y d.c. sin protección (por ejemplo, filtros o diodos);
–
muy ruidosos:
conductores de motores de d.c. con escobillas, líneas de potencia conmutadas, cables y alambres de tierra en paneles de distribución de alta tensión, etc.
Los cables de categorías diferentes no deberán estar en el mismo haz. Los haces de cables diferentes deberán separarse electromagnéticamente unos de otros por medio de pantallas como PEC, o por la colocación de los cables en diferentes conductos. La calidad del PEC determina la distancia a mantener entre los haces de cables (y sus PECs). En 7.5 se dan algunas sugerencias. Cuando no hay PEC deberá mantenerse una distancia suficiente, la experiencia sugiere una distancia de 10 veces el diámetro de cable mayor. En efecto, tienen que balancerse dos requisitos a veces opuestos: primero, circuitos compactos para la atenuación de CM, lo que pide una distancia pequeña entre los haces de cables, y segundo, una baja interferencia de DM a DM, lo que exige alguna distancia. Una solución es colocar los haces de cables diferentes en pantallas o conductos individuales. La pantalla deberá ser de suficiente espesor (vea también B.5). Las pantallas trenzadas raramente proporcionan algún apantallado a las frecuencias del sistema de potencia. Un solo conducto puede dividirse por una partición (una o más, figura 23) para formar un grupo de conductos conectados, pero separados electromagnéticamente. Ejemplos: –
Las líneas de entrada y salida de un filtro no deberán estar en el mismo haz. Las corrientes perturbadoras pasarán alrededor del filtro a través de otros cables en el haz. Un cable de dos conductores alimenta un relé sin elementos protectores, tales como filtros para la a.c. y diodos para la d.c. Este cable no deberá estar en el mismo haz que los cables para señales digitales.
El acoplamiento de DM a DM también ocurre cuando los haces de cables se cruzan en ángulo, o perpendicularmente. Si no hay PEC, se aconseja una distancia mínima entre los haces de aproximadamente 10 veces el diámetro del haz. Se permiten distancias más cortas para haces en buenas pantallas o conductos.
61000-5-2 TR3 IEC:1997 7.9 7.9.1
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Cables que sirven puertos de potencia Conexión a los puertos de los aparatos
Cables de aislamiento y sección transversal de cobre apropiados conectan la fuente de potencia y los aparatos. Los contactos se atornillan o prensan en superficies metálicas desnudas. Los metales en contacto deberán ser compatibles para impedir la corrosión electroquímica aún en atmósferas húmedas. No se permiten alambres de cobre soldados debajo de un tornillo. Las conexiones completamente soldadas pueden usarse para aplicaciones de baja potencia. Todas las conexiones de los cables de potencia deberán colocarse agrupadas (circuito de DM compacto) en el interior del aparato o gabinete. Esto se aplica a conexiones de sistemas de potencia de d.c., a.c. monofásica y a.c. trifásica. En un sistema trifásico en estrella, el conductor neutro (N) deberá tratarse como un conductor de fase y mantenerse cercano a los conductores de fase. NOTA En los sistemas trifásicos existen varias disposiciones para el neutro y el conductor de tierra de protección (PE). Desde el punto de vista de la EMC, se prefiere el sistema TN-S; el conductor N separado en conjunto con los conductores trifásicos proporciona un grupo de circuitos de DM claramente definidos. El PE adicional, sea una pantalla o un cable, proporcionan una trayectoria extra separada para las corrientes perturbadoras.
El hilo de tierra en un cable deberá conectarse a la estructura metálica de un aparato o gabinete tan cerca como sea posible del punto de entrada del cable. El hilo de tierra del cable puede continuar después de esa conexión hacia el interior del gabinete a los diferentes aparatos (vea 7.3 e)). Cuando varios cables están conectados, por ejemplo, a un gabinete que contiene un suministro de potencia, todos los hilos de tierra se conectan frecuentemente a una barra de puesta a tierra por conveniencia de montaje. Al efecto de la EMC, la posición correcta de esta barra es en el exterior del gabinete, o en el exterior del compartimiento del gabinete que contiene la electrónica sensible. La barra deberá atornillarse o soldarse sobre toda su longitud en varios lugares a la estructura metálica del gabinete. Una barra aislada, conectada por un solo cable al gabinete, no deberá usarse para puesta a tierra. Dentro de los aparatos, el conductor de tierra deberá conectarse a la envolvente metálica usando la longitud más corta posible. La pantalla de un cable deberá conectarse a las paredes metálicas del gabinete en el punto de entrada del cable. Se prefiere una conexión en circunferencia; esto se garantizará por un prensaestopas apropiado. No deberá usarse una conexión de un solo alambre (conexión de rabo de cochino, vea la figura 22) entre la pantalla y la pared del gabinete. La pantalla puede continuar a través del prensaestopas y conectarse a una tierra local en el interior del gabinete. Los conductores de tierra en un cable apantallado se tratan como se describió arriba para los hilos de tierra propiamente. NOTA Las pantallas consistentes de alambres de acero alrededor de los cables de potencia se diseñan principalmente para protección mecánica antes que para propósitos de EMC. La impedancia de transferencia de tal pantalla se conoce bien raramente, pero ciertamente puede ser baja cuando se le compara con la impedancia de transferencia de un solo hilo de tierra. Aún si esta pantalla está tejida burdamente, también se recomienda conectarla con prensaestopas como se describió arriba.
61000-5-2 TR3 IEC:1997 7.9.2
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Interruptores de potencia entre aparatos
Los interruptores mecánicos pueden colocarse en un cable, por ejemplo en los circuitos de iluminación. En todas las aplicaciones el circuito de DM consiste en un conductor de potencia y su retorno; el circuito de DM deberá mantenerse tan compacto como sea posible. El diseño compacto evita un acoplamiento local de las perturbaciones de DM, lo que puede causar interferencia en aparatos en otros lugares conectados a la misma línea de potencia. Un conductor o pantalla de tierra adicional proporcionará una trayectoria de corriente continua al interruptor. Cuando el interruptor está dentro de una caja metálica completamente cerrada, este deberá tratarse como un aparato, con ruteo y conexión del conductor de potencia y su retorno, y quizás el conductor de tierra y la pantalla como se describió arriba. Están disponibles dos tipos de interruptores, uno de diseño monopolar o uno bipolar. Un interruptor doble polo, para d.c. o a.c. monofásica, actúa en los dos conductores, alimentación y retorno; los dos conductores deberán mantenerse juntos. Para interruptores de un solo contacto deberá garantizarse un circuito de DM compacto. Preferiblemente los conductores conmutado y no conmutado siguen la misma trayectoria física (figuras 25a y 25c). Cuando el interruptor está a alguna distancia de la posición original del cable, el conductor conmutado irá y regresará del interruptor siguendo una sola trayectoria (figura 25b). 7.10
Cables que sirven puertos de señal y de control
Primero el lector debe referirse al grupo de reglas de EMC dadas en 7.3. Desde el punto de vista de la EMC, la instalación de los cables y las conexiones para los puertos de señal y control tienen varios puntos en común, esto es así también con los puertos de potencia.
NOTA Hay varias soluciones (a, b, c) para mantener el circuito de DM compacto cuando se instalan los interruptores. La posición del conductor indicada en (d) no deberá usarse.
Figura 25 – Topología de circuitos que contienen interruptores
No es posible dar una clasificación exhaustiva para los niveles de señal y control. No puede cubrirse cada aplicación. Se mencionan aquí algunas señales de LF en orden de nivel creciente: –
termopar y micrófono (µV a mV);
–
sensores a termistor (mV a V);
–
indicadores de posición, como interruptores o reglas electrónicas;
–
controles digitales y señales similares entre 1 V y 24 V;
–
tensiones de señalización en instalaciones de potencia, frecuentemente a 42 V o 110 V;
–
lazos de corriente de alta impedancia (4 mA – 20 mA), frecuentemente usados para transmitir señales analógicas.
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
El transporte de datos en paralelo entre equipos digitales, tales como computadoras e impresoras, es un caso de velocidad intermedia. Las señales de alta frecuencia comprenden: –
señales de video, circuitos cerrados de televisión internos que usan ondas portadoras de HF;
–
comunicación de alta velocidad de datos en serie haciendo uso de cables coaxiales.
Los cables que sirven las antenas para comunicación móvil también pueden en principio instalarse de acuerdo con las recomendaciones de este reporte técnico. 7.10.1
Selección del cable de señal
La selección del cable, la conexión y el ruteo están basados en la relación entre la señal de interés y la perturbación en los dos extremos del cable, y en la inmunidad de DM y CM de los puertos de los aparatos. Una lista tentativa de cables comprende: Desbalanceados:
cable coaxial, bifilar y plano multiconductor.
Balanceados:
bifilar sin pantalla, cable de dos conductores apantallado, cable plano, haz de pares multitrenzados con pantalla o sin ella.
Los cables bifilares se usan principalmente para señales de LF o de potencia. Recientemente se han intentado emplear los conductores bifilares para señales de sistemas digitales de más alta frecuencia. Los cables coaxiales se usan para señales de LF y HF; el ancho de banda disponible está determinado principalmente por el amortiguamiento debido al efecto pelicular en los conductores y también depende de la longitud del cable pueden usarse cables coaxiales cortos hasta varios gigahertzios. La impedancia de transferencia es lo más importante para la evaluación de las características de EMC para el cable y este parámetrodeberá especificarse por los fabricantes. Cables coaxiales o cables multiconductores con más de una pantalla pueden ofrecer una impedancia de transferencia más baja que los cables con una sola pantalla. Hay la opción de interconectar todas las pantallas en los dos extremos, o en un extremo solamente. En el último caso, la trayectoria de la corriente de HF está siempre formada por las capacitancias entre las pantallas. Esto se discute en B.2 con más detalles. Para las señales de baja frecuencia deberá compararse el transporte balanceado y el desbalanceado. Especialmente a LF, los bajos parámetros de transferencia pueden obtenerse con el transporte balanceado de señal A lo largo del cable la corriente de CM se divide por igual en los dos extremos. Los aparatos deberán proporcionar una trayectoria (Z t ) baja para la corriente de CM usando un filtro apropiado en el puerto. Adicionalmente, el balance del puerto deberá mantenerse en el rango de frecuencias de interés para las perturbaciones. Esto exige una buena razón de rechazo de modo común del puerto. Esto es difícil de realizar a frecuencias fuera de la banda de las señales de interés. Por tanto, el transporte de señal balanceado está frecuentemente limitado a la LF o las audiofrecuencias. Preferiblemente, cada circuito de señal de DM tiene su propio conductor de retorno en un cable multiconductor (circuitos de DM compactos). Esto evita el acoplamiento de DM a DM entre los circuitos a través de una resistencia mutua a la d.c. y a las bajas frecuencias. Los cables bifilares y los pares de conductores en cables multiconductores deberán trenzarse para impedir las interferencias de DM a DM capacitivas e inductivas a las altas frecuencias. La transición entre las frecuencias bajas y altas presentes puede ya ocurrir a algunos kilohertz, o, aún, a la frecuencia del sistema de potencia. NOTA Se han publicado o están en preparación otras normas y documentos que tratan del cableado en locales de consumidores. Vea por ejemplo ISO/IEC 11801:1995, Tecnología de la información – Cableado genérico para locales de consumidores.
61000-5-2 TR3 IEC:1997 7.10.2
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Conectores
Los terminales para la señal y el retorno deberán estar cercanos (circuitos de DM compactos). Los contactos deberán ser resistentes a la corrosión; por ejemplo, se prefieren superficies de oro a las de plata. Contactos corroídos pueden mostrar características de corriente-tensión no lineales; pueden surgir distorsiones de la señal de interés y de la (audio) rectificación de las perturbaciones de HF. La resistencia variable de los contactos corroídos puede causar interferencia impredecible entre los diferentes circuitos de DM. Lo peor de todo, un conector corroído puede resultar en una Z t alta y no lineal. Los dos materiales en contacto deberán ser compatibles en función de impedir los efectos de termopar en los conectores, especialmente en el caso de señales de d.c. de baja amplitud, tales como de sensores de temperatura de termopar. El conector deberá compatibilizar con el tipo de cable. La compatibilización concierne a la señal, al nivel de tensión y corriente; a las altas frecuencias, la impedancia característica también es importante. Para propósitos de EMC la compatibilización también concierne a los parámetros de transferencia, Z t y Y t , en todo el rango de frecuencias donde pueden esperarse las perturbaciones y en el rango donde la electrónica es sensible. Los cables coaxiales deberán colocarse con conectores que preserven completamente la simetría coaxial. El conductor exterior de un cable coaxial siempre tiene que conectarse al circuito de DM en los dos extremos del cable. Para puertos desbalanceados, esto puede involucrar la puesta a tierra del conductor exterior en los dos extremos. Los cables de pares balanceados con pantallas deberán usar conectores que permitan un contacto circunferencial para la pantalla. Los rabos de cochino en el extremo de cualquier pantalla (figura 26) deberán evitarse. Si por alguna razón, no de EMC, es necesaria una conexión de rabo de cochino, deberá dársele a la corriente de CM una trayectoria que evite el rabo de cochino. La mejor forma es una conexión circunferencial de la pantalla del cable a la pared en algún punto del cable antes del rabo de cochino. NOTA Una conexión de rabo de cochino en el extremo de un cable coaxial resulta en un valor local alto de Z t . Tal conexión deberá evitarse como terminación para la pantalla de cualquier cable, aún si éste es un alambre recto corto en vez del alambre espiralado mostrado en la figura.
Figura 26 – Conexión indeseable de un cable coaxial
7.10.3
Ruteo de cables de señal y control
El ruteo de estos cables deberá ser como se describió en 7.7 y 7.8. Abajo se dan algunas observaciones adicionales: –
Los cables coaxiales que transportan señales de HF pueden ser puestos en haz. La Z t de los cables deberá ser bastante baja para evitar interferencias indeseadas de DM a DM. Una pantalla adicional instalada alrededor de un haz de cables coaxiales reduce el acoplamiento con el entorno. La pantalla proporciona una buena trayectoria para la corriente de CM total, asegurando que esté correctamente conectada de manera de garantizar la EMC.
–
Los pares trenzados frecuentemente se usan para control y señal de baja frecuencia. Ellos pueden ponerse en haz; cada par deberá trenzarse preferiblemente por separado. Aquí, de nuevo, es útil una pantalla adicional como se describió arriba.
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
–
Los cables coaxiales que transportan señales de HF, y los pares trenzados conectados a los aparatos de LF no deberán ponerse en el mismo haz. La interferencia de las señales de HF en los circuitos de señales de baja frecuencia puede resultar en interferencias adicionales debido a las características no lineales de los circuitos de baja frecuencia. La demodulación de la HF simula una señal de d.c., o una señal de baja frecuencia, cuando las señales de alta frecuencia son de amplitud modulada.
–
El cable plano frecuentemente se usa para el transporte de datos en paralelo entre equipos digitales. Cada línea de datos y línea de retorno deberán estar en posiciones alternas, cerca una de otra. No se recomienda un solo retorno para varias líneas de datos. El cable plano puede estar apantallado. Se recomiendan dos pantallas planas en los dos extremos; la pantalla deberá conectarse en los dos extremos en todo su ancho a la tierra (placa) local por medio de conectores apropiados.
8
Métodos adicionales de atenuación de interferencias
Además de las medidas preventivas de una puesta a tierra, conexión equipotencial y ruteo del cable correctos, los métodos de atenuación adicionales incluyen el filtrado, el apantallado, y la instalación de dispositivos de protección contra las sobretensiones. Esta cláusula proporciona una breve descripción de los métodos de atenuación adicionales relacionados con los métodos de cableado y las alternativas a la transmisión de señal por medios metálicos. 8.1
Reactancia de ferrita de modo común
Los filtros pueden aplicarse en los puertos de los aparatos. Los filtros deberán establecer una trayectoria conveniente para la corriente de CM, de una Z t suficientemente baja. Una reactancia de modo común proporciona un incremento local de la impedancia del circuito de CM (o IM, vea el anexo C), y por tanto, reduce la corriente de CM (figura 27). El propio circuito de CM permanece presente. Si se obtiene o no una efectiva reducción, depende de la impedancia original del circuito de CM. Los núcleos o arandelas de ferrita alrededor de un cable son, en efecto, una autoinductancia de una sola espira en el circuito de CM. Pueden usarse en serie varios núcleos o arandelas. Ni un transformador ni la ferrita afectan la señal de DM. Una forma especial de reactancia de CM es la llamada transformador “de desmagnetización”, el que se aplica a veces en subestaciones de alta tensión.
(a): reactancia de CM con un cable coaxial; la autoinductancia proporcionada por la reactancia de CM se añade al circuito de CM, pero no al circuito de DM. (b): arandela de ferrita alrededor de un coaxial (c): culata de ferrita alrededor de un cable plano. Todos estos esquemas tienen el mismo propósito.
Figura 27 – Implementaciones típicas de las reactancias de ferrita de modo común
La autoinductancia adicional proporcionada por la reactancia o ferrita de CM rivaliza con la impedancia del resto del circuito de CM Z CM, rest . La reducción de la corriente de CM es mayor cuando Z CM, rest ya es baja. Éste es el caso cuando un conductor de tierra (PEC) está en paralelo al cable. Ejemplos son: –
una reactancia o núcleo de ferrita de CM alrededor de un cable en un conducto;
–
una ferrita entre dos pantallas de un cable doblemente apantallado fuerza a la corriente de CM a fluir a través de la pantalla exterior;
–
una ferrita alrededor de un cable con un conductor de tierra separado en su cercanía;
–
núcleos de ferrita alrededor de un cable coaxial a distancias irregulares, con la pantalla del cable conectada al conductor de tierra entre los núcleos.
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Cables coaxiales especiales con ferrita entre dos pantallas están disponibles comercialmente. La reactancia de CM tiene varias o muchas vueltas del cable de DM alrededor de un núcleo de material magnético o del aire; la capacitancia entre los devanados y las pérdidas de núcleo limitan su uso a las frecuencias más bajas. 8.1.1
Propiedades de la ferrita
Las ferritas son materiales magnéticos, con una permeabilidad µ r que varía en un amplio rango, entre 10 y 10 000. Está presente alguna conductividad; la mayoría de los materiales también tienen una constante dieléctrica sustancial. A las bajas frecuencias, la ferrita proporciona inductancia. A frecuencias más altas, las corrientes inducidas y otros mecanismos hacen que la inductancia se debilite. La transición entre las dos regiones de frecuencia depende de la composición y los procesos de fabricación. 8.1.2
Algunas consideraciones sobre la aplicación de las ferritas
Con ferritas alrededor de un cable, pueden ocurrir ondas estacionarias o de resonancia en el circuito de CM. Las frecuencias de resonancia son sustancialmente menores que las esperadas de los múltiplos de la longitud de onda media a lo largo del cable, debido a la µ r y a la ε r de la ferrita. Para la EMC, las pérdidas son bienvenidas si tienden a amortiguar las resonancias. Las ferritas también pueden usarse alrededor de cables sin conductores paralelos. Los núcleos o arandelas deberán entonces montarse cercanos a los puntos en donde los cables se conectan a los aparatos. La reducción de la I CM resulta en una emisión de radiación menor. Esto depende de la impedancia del lazo completo de I CM si las ferritas disminuyen la susceptibilidad total para la interferencia. Para corrientes grandes de CM, la ferrita puede saturarse y hacerse inefectiva. Esto puede estar causado por fallas de potencia y por rayos. La histéresis puede impedir la operación normal de la ferrita después de la saturación. También pueden usarse anillos de tamaño suficiente alrededor de los cables de potencia. Sin embargo, para corrientes grandes de DM la saturación apenas ocurre. En cualquier aplicación deberán consultarse los datos del fabricante para la selección de la ferrita según la EMC. 8.2
Separación eléctrica
La separación eléctrica frecuentemente se emplea para incrementar la impedancia del circuito de CM. Esta separación puede ser efectiva a la d.c. y a las bajas frecuencias, pero se deteriora a frecuencias superiores debido a las capacitancias parásitas en paralelo. Típicamente se emplea un transformador de segregación, fibras ópticas u optoacopladores. Estos dispositivos pueden usarse para la EMC, siempre que se tome algún cuidado en su aplicación.
61000-5-2 TR3 IEC:1997 8.2.1
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Transformadores de segregación
El lazo de CM se interrumpe por la separación eléctrica entre los devanados primario y secundario. La capacidad de soporte a la tensión de CM entre los devanados deberá ser bastante alta para todas las perturbaciones que se esperan. Un acoplamiento indeseado entre el primario y el secundario, de CM-CM y CM-DM, ocurre a través de la capacitancia parásita C W . Las pantallas electrostáticas, las que se colocan entre los devanados y que deberán ponerse a tierra correctamente, reducen la capacitancia entre los devanados y proporcionan trayectorias bien definidas y separadas para las corrientes de CM a través de los cables conectados a los diferentes devanados. Los cables o alambres conectados al transformador deberán separarse de tal forma que el transformador no sea eludido a través de las capacidades parásitas. De nuevo deberá considerarse el espectro total de las posibles perturbaciones. NOTA Un transformador de segregación interrumpe el lazo de CM para las bajas frecuencias. A frecuencias superiores, las capacidades parásitas entre los devanados primario y secundario C W y una capacidad similar entre el cableado del transformador forma una posible trayectoria para la corriente de CM. Para ganar en claridad, el capacitor C W está dibujado solamente entre los devanados superiores. En realidad, este capacitor está distribuido entre los dos devanados y todos los cables conectados.
Figura 28 – Limitaciones de la efectividad de un transformador de segregación
8.2.2
Fibras ópticas
La señal de DM se convierte en una señal de luz modulada, la que se envía a través de la fibra. Cuando las fibras ópticas se han seleccionado correctamente se dispone de un ancho de banda grande y baja atenuación. Para la EMC las siguientes observaciones son importantes: –
la EMC de los aparatos emisores y receptores deberá ser suficiente con respecto a las corrientes de CM que arriban a través de los cables de señal y el suministro de potencia;
–
la propia fibra no deberá tener partes metálicas. Esta regla se refiere a metales añadidos para protección mecánica de la fibra o conductores de potencia en paralelo con la fibra, así como también posibles revestimientos metálicos de la fibra para protección contra el ingreso de humedad. Cualquier metal formará un lazo de corriente de CM que pasará a través de un puerto muy sensible. Muy probablemente este lazo será inesperado y por tanto, una fuente de interferencias.
8.2.3
Optoacopladores
Los optoacopladores cumplen una función similar a la de los transformadores de segregación. Para la EMC es importante la capacidad parásita C dt entre el diodo emisor de luz y el fototransistor. A través del transistor, y utilizando la capacidad, fluye una corriente de CM de alta frecuencia, la que puede provocar conmutaciones erróneas de este transistor. Los conductores que van al optoacoplador pueden formar una vía de derivación para las perturbaciones de HF a través de la capacidad parásita C f .
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Luz
Nota Un optoacoplador consistente en un diodo emisor de luz y un fototransistor interrumpe el lazo de corriente de CM a bajas frecuencias. A frecuencias superiores, la capacidad entre los conductores C f y la capacidad entre el diodo y el transistor C dt derivan el optoacoplador. Además, la corriente de CM a través de C dt puede activar el fototransistor erróneamente, aún sin ninguna luz proveniente del diodo.
Figura 29 – Acoplamiento parásito a altas frecuencias
9
Métodos de ensayo y medición
9.1
Puesta a tierra y equipotencialización
No hay métodos generales normalizados, o reconocidos, para las mediciones de alta frecuencia ni un criterio preciso para la impedancia entre dos puntos de un sistema de puesta a tierra. No obstante, el objetivo fundamental es reducir esta impedancia al valor menor posible. Desde este punto de vista, el procedimiento siguiente da alguna guía a los usuarios para el diseño de un nuevo sistema de puesta a tierra. a) Definir las necesidades: –
conocer los sistemas a instalar y proteger;
–
tener documentación y usarla.
b) Implementar un buen electrodo de tierra (consideraciones de seguridad): –
–
conocer el suelo; •
aspectos geológicos;
•
otro(s) sistema(s) de puesta a tierra existente(s);
mejoramiento del suelo si es necesario.
c) Implementar una buena red de puesta a tierra (consideraciones de EMC): –
selección de un trazado óptimo;
–
la práctica recomendada es una sola red mallada a menos que la aplicación dicte otro procedimiento bien probado;
–
malla reforzada (celdas bien compactas) en áreas críticas.
d) Manter el sistema de puesta a tierra: –
comprobar la resistencia de las conexiones equipotenciales;
–
limpiar las conexiones (corrosión);
–
mantener los recubrimientos protectores;
–
mantener apretadas las conexiones atornilladas y empernadas.
61000-5-2 TR3 IEC:1997 9.2
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NC IEC 61000-5-2 TR3:2003
Cables e instalación
Se proponen un número de ensayos en documentos de EMC relacionados, tales como las series IEC 61000-4 o el método de inyección de corriente de Bersier. Todos los ensayos introducen una corriente (de CM o de DM) en el cable, capacitiva o inductiva. La corriente misma no siempre se mide, más bien se detectan los efectos en los aparatos. Deberá establecerse si el ensayo prescrito es una representación razonable de las perturbaciones reales; sin embargo, tiene que entenderse que ninguna especificación de ensayo puede pretender emular con todas las perturbaciones posibles. El ensayo prescrito puede ser la base para un acuerdo legal o comercial entre las Partes, con la expectativa de que el cumplimiento de los requisitos de ensayo aumentará la probabilidad de un funcionamiento satisfactorio de la instalación bajo condiciones reales en el mundo. El objetivo de todas las guías es obtener una tensión perturbadora de DM baja en los puertos de los aparatos. Cuando la impedancia de CM del puerto es grande, también se necesita verificar que la tensión de CM esté dentro de los límites de los aparatos. El equipo de medición deberá diseñarse cuidadosamente, en función de no introducir interferencias con su presencia. La calidad para la EMC del propio equipo de medición también deberá ser suficiente. El ancho de banda de las disposiciones de medición deberá adaptarse a las perturbaciones. Se prefieren equipos rápidos, de nanosegundos de respuesta, especialmente cuando ocurren rupturas dieléctricas y chisporreteo en las cercanías. Pueden ocurrir interferencias en la operación normal de los aparatos, o altas tensiones inaceptables. Primero, se determinan las corrientes de CM a lo largo de los cables en la posición donde ellos se conectan a los aparatos. Segundo, se miden las corrientes de CM en locaciones lejanas. Este reporte técnico proporciona un número de soluciones para redirigir las corrientes de CM y por tanto, reducir las perturbaciones.
61000-5-2 TR3 IEC:1997
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Anexo A (informativo) Ejemplos de implementación de sistemas y cables de puesta a tierra El sistema de puesta a tierra descrito en la cláusula 5, una configuración mallada, es el acercamiento que se recomienda para el caso de una instalación nueva, en particular cuando el edificio se ha de ocupar por organizaciones que no tienen prácticas bien establecidas de mantenimiento de EMC. Se ha enfatizado en este reporte técnico que hay otras formas efectivas, lo que ha sido demostrado por la aplicación exitosa de ellas, en particular por organizaciones que tienen los medios y la autoridad de aplicar prácticas coherentes de mantenimiento de EMC. Las figuras siguientes ilustran ejemplos de la diversidad de prácticas que se han aplicado con éxito. –
La figura A.1 muestra la configuración de una facilidad de telecomunicaciones según la directiva K.27 de la CCITT precedente.
–
La figura A.2 muestra la topología de un gabinete limitado por cinco lados solamente, lo que provee EMC en un entorno agresivo.
–
Las figuras A.3 y A.4 muestran ejemplos de sistemas de puesta a tierra para electrónica de potencia.
–
Las figuras A.5 y A.6 muestran la historia de casos de mejores prácticas del cableado para la EMC.
A.1
Configuración de conexión equipotencial híbrida
Esta configuración es un ejemplo de prácticas que son aplicables cuando el operador/operario de la facilidad tiene un control completo sobre la instalación nueva. Se ha aplicado con éxito durante muchos años, en especial dentro de edificios existentes cuando se necesita instalar equipos nuevos en combinación con equipos existentes. Proporciona interfaces de corte-claro para los ensayos de aceptación de EMC y demarcación de las responsabilidades para los suministradores y usuarios de sistemas diferentes. (Montandon, 1992 [4]). La figura A.1 ilustra un esquema de un acercamiento así, tal como está descrito en las directivas CCITT (ahora UIT-T).
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Conducto de cables de baja impedancia (elemento del CBN) Interconexión entre SPC1 Estructuras del bloque y el conducto de cables sistémico 1 interconectado por la malla de conexión equipotencial Piso
Malla de conexión equipotencial 1
Se recomienda la conexión de la pantalla del cable a la estructura
Acero de refuerzo del piso Bloque sistémico 3
Aislamiento entre la malla de conexión equipotencial y el CBN para evitar la circulación de corrientes extrañas
Equipo existente instalado sobre el CBN (sistema 4)
Bloque sistémico 2
SPC
Conexión de un punto Conductor de conexión equipotencial Acero de refuerzo Cableado no apantallado inter o intrasistémico Cableado apantallado inter o intrasistémico
Puntos( ) a lo largo del borde en una malla de conexión equipotencial, denota su SPC. Nota 1 Los bloques sistémicos 1, 2 y 3 son instalaciones nuevas conformadas según el método malla-IBN. Ellos pueden conectarse a una instalación existente (sistema 4) que use cualquier método de equipotencialidad. Nota 2 La SPC es la única interfaz metálica entre la malla-IBN y la CBN y debe conectarse directamente al refuerzo del piso. Todos los cables hacia el refuerzo entran aquí. Todos los conductores que están vinculados a la malla-IBN deben conectarse a la SPC (por ejemplo, pantallas de cables, retornos de baterías, etc.). FIGURA B.2/K.27 Malla-IBN con malla de conexión equipotencial
IEC 1 445/97
NOTA Esta topología se basa en un concepto zonal. Los bloques sistemáticos 1, 2 y 3 son instalaciones nuevas estrictamente en lo que respecta al principio de conexión equipotencial híbrida. Se pueden conectar a instalaciones existentes (sistema 4) que no necesitan cambiarse. Ver la fuente antes citada para los detalles de la implementación.
Figura A.1 – Ejemplo de topología para un sistema híbrido de puesta a tierra
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A.2
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Gabinete de EMC
En este ejemplo se describe un gabinete de EMC, que se ha probado dando como resultado una protección muy buena de los equipos electrónicos aún en circunstancias electromagnéticas severas, como sucede directamente bajo los aisladores pasantes de alta tensión en subestaciones abiertas de 380 kV (Van Houten, 1990 [9]). Este gabinete de EMC se presenta aquí como la protección máxima que se puede obtener mediante una reducción de la impedancia de transferencia Z t y un re-ruteo de las corrientes de modo común. Un trazado cuidadoso, según las directrices de este reporte, de los cables instalados dentro del gabinete mejora aún más el funcionamiento. En un entorno con menos perturbaciones que en una subestación de HV, se pueden utilizar versiones simplificadas y reducidas del gabinete de EMC y cumplir los principios. Por ejemplo, sólo se puede usar el plano posterior o se puede reducir aún más el tamaño de ese único plano siempre que se pueda mantener una trayectoria clara para las corrientes de modo-común de la electrónica. El gabinete tiene paredes metálicas continuas en cinco lados; el frente se deja abierto, lo cual puede considerarse una desviación del sentido común convencional de que un recinto apantallado debe estar cerrado en todos sus lados. Cuando se compara con el ejemplo anterior de una conexión equipotencial híbrida, queda claro que este gabinete de EMC y los bloques sistémicos de la figura A.1 son equivalentes topológicamente: los bloques sistémicos y sus terminaciones de cables son equivalentes a la configuración del gabinete de EMC si su lado posterior y cuatro de los lados se desplegasen en un solo plano, similar al piso elevado del bloque sistémico de la figura A.1. Todos los cables, de señalización y fuerza, entran al gabinete a través de su plano posterior. Las pantallas o los conductos externos de los cables de señales se conectan circunferencialmente al plano posterior. La energía de c.a. entra al gabinete a través de un filtro (F), bien conectado al plano posterior; cercano al filtro se conecta también un terminal adicional de la tierra de seguridad. Todas las corrientes de CM que llegan al gabinete a través de los cables y del terminal de tierra de seguridad fluyen por el panel posterior; esto da por resultado una impedancia de transferencia de muy bajo valor entre las corrientes CM en el exterior del gabinete y los instrumentos electrónicos en su interior. De esto resulta que; en muchas aplicaciones (usos) este valor bajo de la Z t es mucho más importante que el posible apantallamiento proporcionado por el gabinete, aún cuando esté cerrado para formar una jaula de Faraday.
Instrumento electrónico
NOTA Todas las corrientes CM externas se conducen vía el plano posterior, lo que proporciona una Z t mínima entre las corrientes en el exterior del gabinete y la electrónica interior.
Figura A.2 – Gabinete de EMC para la protección de aparatos electrónicos sensibles
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A.3
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Configuraciones de puesta a tierra en instalaciones electrónicas industriales
Los principios de las configuraciones de tierra discutidos en este reporte técnico se han utilizado con éxito en instalaciones industriales, incluidas compañías de servicio (electroenergético) y controles electrónicos (Benda, 1994 [8]). Las figuras A.3 y A.4 ilustran en forma esquemática la implementación práctica de estos principios.
Largo distancia del bus
Comunicaciones
Electrónicos
Puerto de comunicaciones de un circuito impreso Mecanismo Reactor
Panel eléctrico
Remota I/O
Comunicaciones
Suministro eléctrico Ménsula Segregado si la ménsula está conectada a tierra
Sistema de puesta a tierra de la electrónica Suministro eléctrico Conexiones a tierra
Sistema de puesta a tierra de la instalación industrial
Figura A.3 – Sistema de puesta a tierra para un accionamiento con convertidor y la electrónica asociada
Conductor descendente
Malla de puesta a tierra en el patio externo
Malla local de puesta a tierra
Electrónicos
Línea troncal de puesta a tierra Malla local de puesta a tierra Línea troncal de puesta a tierra Cuadro del generador
Malla local de puesta a tierra en la sala de computación
Electrodo de tierra en anillo del edificio del generador de la planta
Figura A.4 – Configuración de puesta a tierra para un sistema de suministro electroenergético con sistemas asociados de control electrónico y de supervisión
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A.4
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Ejemplo de conexión de pantallas
En este caso, un servomotor (SM) estaba accionado por un amplificador de fuerza de modo-conmutado (SMPA, sigla en inglés), controlado por un microprocesador P (figura A.5). Las señales retroalimentadas desde el SM hacia el procesador SMPA afectaban la posición vía un codificador digital y el torque. La entrada al procesador era una información digital ASCII codificada RS232 en la secuencia “dirección SMPA” y “datos”. Una sola unidad SMPA-SM conectada a la alimentación electroenergética y una computadora que comandaba el procesador SMPA funcionaban adecuadamente. Los problemas serios ocurrieron cuando se instalaron varias unidades en una máquina procesadora grande en la que una sola computadora principal controlaba el proceso, una sola alimentación electroenergética alimentaba todos los SMPA (110 V a.c.) y todas las líneas ASCII de datos se interconectaron en serie.
NOTA El servomotor (SM) está accionado por un amplificador de fuerza de modo-conmutado (SMPA), el cual está controlado por un microprocesador (P) y alimentado a 110 V a.c. Las señales retroalimentadas desde el motor hacia el procesador incluyen la posición o el torque, o ambos.
Figura A.5 – Configuración inicial de los cables de fuerza y de control
Se consultó a un ingeniero de EMC para que ayudara a resolver este problema. Las unidades SMPA-SM habían sido entregadas por un tercero. No se habían dado diagramas esquemáticos al fabricante de la máquina de procesamiento. A partir del trazado general de los tableros de los SMPA se puso en claro que no había filtrado, o había muy poco, en el paso de salida del SMPA o en sus líneas de alimentación. Se midieron las corrientes de CM en todos los cables conectados al SMPA. Cuando el motor estaba impulsado a su torque máximo, se encontraron corrientes de CM de 1 A aproximadamente con tiempos de crecimiento de microsegundos en el cable entre el SMPA y el SM. El gran lazo de corrientes de CM comprendía el cable, la capacitancia parásita entre los devanados del motor y la carcasa (chasis), la estructura (F en la figura A.5) de la máquina y el suministro electroenergético, que también estaba conectado a la estructura. Eran posibles acoplamientos significativos con otros lazos cercanos. Por consiguiente, corrientes de CM grandes fluían a través del cable desde el suministro electroenergético, así como a través del cable entre la computadora de control y el procesador del SMPA. El problema se resolvió mediante el análisis siguiente: dado que una unidad SM-SMPA no era perturbada si era una sola, las corrientes de CM de cada unidad no perturbaban su propio funcionamiento. La causa más probable de los problemas era una mutilación de los mensajes ASCII entre la computadora principal y los otros procesadores.
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Como se disponía de poco tiempo para resolver el problema, como es usual cuando se sospecha que hay problemas de EMC en equipos de procesamiento, se tenía que hallar un camino determinado hacia la EMC. Los costos eran menos importantes, lo cual tampoco está fuera de lo usual en estas circunstancias. Primeramente, se proporcionó al SMPA una chapa frontal de latón, por ser un conductor más confiable que la chapa original anodizada (figura A.6). En segundo lugar, la pantalla ya existente del cable entre el SM y el SMPA se conectó a esa chapa en el SMPA y al chasis del SM. Originalmente, la pantalla se conectaba a tierra sólo en el SMPA. Se hizo lo mismo con la pantalla de los cables de datos de posición y de torque entre el SM y el SMPA. La pantalla y la chapa de latón proporcionaron una trayectoria compacta para la corriente de CM en el cable de fuerza del SM. La corriente total de CM a través de la pantalla y el cable se redujo en unas veinte veces. En tercer lugar, la pantalla del cable ASCII de datos se conectó a la chapa de latón, así como a la tierra local y al otro extremo del cable. Se montó un simple filtro de R-C de bajo peso en las líneas ASCII de datos que entran y salen de cada unidad procesadora. La frecuencia de oscilación se adaptó a la velocidad de modulación de la comunicación. Llevó unos dos días la ejecución y la instalación de las modificaciones. Después, hasta siete unidades SM-SMPA trabajaron armoniosamente. Están a la orden algunas observaciones: −
Por supuesto, también se probó un filtro de CM a la salida del SMPA. Resultó en que la electrónica se hacía inestable con una gran variedad de tipos de filtros.
−
Se probó con un filtro en el suministro electroenergético de c.a., pero resultó innecesario.
−
La razón principal para la discusión aquí de este problema es que, aunque el ingeniero de EMC no estaba familiarizado con los detalles de funcionamiento de la electrónica, una observación cuidadosa de las corrientes de CM de interferencia y las medidas adecuadas para mejorar las rutas de las corrientes de CM, solucionaron completamente el problema.
NOTA En el diseño mejorado, una chapa frontal de latón conectada cuidadosamente a la estructura F de la máquina sustituyó en el SMPA a la chapa original anodizada. Todas las pantallas de los cables se conectaron a esa chapa de latón y a la tierra local en el otro extremo.
Figura A.6 – Diseño mejorado mediante conexiones adecuadas de las pantallas
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Anexo B (informativo) Aplicación de la teoría del cable para reforzar la EMC: Comportamiento de Z t para tipos diferentes de cables B.1
Generalidades
En todo este reporte técnico se ha utilizado una impedancia de transferencia generalizada Z t , no solo la Z t de los cables coaxiales sino también para otros tipos de cables y para los puertos de un aparato. Se presenta ahora aquí una descripción breve de la impedancia de transferencia Z t para diferentes cables, en conexión con la terminación en ambos extremos del cable. Para el transporte de señales no balanceadas, se pueden considerar dos tipos de cables como casos externos: a) un cable de dos terminales, b) un cable coaxial con un conductor sólido exterior. Otros tipos, como los cables con un conductor trenzado exterior, muestran para la Z t un comportamiento intermedio entre estos dos casos extremos; la Z t de ellos se puede comprender a partir de estos dos casos. Para una descripción detallada de los métodos de medición y para un resumen general de la Z t para cables de HF, el lector debe referirse a otros documentos, como los del TC IEC 46.
B.2 B.2.1
Dos terminales paralelos Circuito DM desbalanceado
En la figura B.1, se transporta una señal DM en un circuito desbalanceado a través de un cable conectado en ambos extremos a una tierra local. En esta versión simplificada de la figura 17 (ver 7.2), la conexión a tierra se hace explícitamente; otras posibilidades se discuten en 7.2. Para este circuito de señales desbalanceado, todas las I CM se seleccionan, naturalmente, para que fluyan a través del terminal puesto a tierra. El receptor (con una impedancia Z L de entrada de valor alto) en el extremo del cable tiene una tensión DM (U DM ) que consta de la señal U S prevista y de una tensión adicional de perturbación U dist (dist, del inglés disturbance) debida a: a) la resistencia del terminal de retorno; b) el flujo magnético en el circuito DM provocado por la I CM .
NOTA La tensión DM (U DM ) en el extremo receptor consta de la señal prevista U S más un término de perturbación U dist provocado por I CM , acoplado en el circuito DM vía la impedancia Z t de transferencia. En B.4 hay referencias a los números 1, 2 y 3.
Figura B.1 – Transporte desbalanceado de señales
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Aquí se supone que los aparatos en ambos extremos del cable no contribuyan a la impedancia total de transferencia. La tensión U dist es entonces proporcional a la longitud de la línea. Para frecuencias en que la longitud de onda es mayor que la longitud del cable se puede escribir la ecuación: Uint / (ICM • l ) = Z' t = R' + jω • M'
(B.1)
donde R’ es la resistencia del terminal puesto a tierra, incrementada quizás por el efecto pelicular. La parte de la inductancia mutua puede aproximarse por [(µ o /2π log (d/r)], donde d es la distancia entre los dos terminales del circuito DM y r es el radio del terminal puesto a tierra. Para un cordón eléctrico normalizado con terminales de 2,5 mm 2 , R’ es de 20 mΩ/m aproximadamente, M’ es de unos 0,3 µH/m. El comportamiento de Z t está representado en la figura B.2, conjuntamente con la Z t para otros tipos de cables que se discutirán más adelante. La M’ provoca un incremento de Z t ’ a frecuencias mayores de 4 kHz. Esta Z t ’ no está influida por el torcido de los terminales. a)
Una línea de transmisión de dos conductores 2 (cobre 2,5 mm ).
b)
Un cable coaxial con conductor sólido externo, con un radio supuesto r = 3 mm y un grosor 2 d = 0,13 mm, 2,5 mm cobre.
c)
El conductor externo de (b) dividido en dos conductores a la distancia de 1 mm, r = 3 y 4 mm 2 respectivamente, d = 0,056 mm, total 2,5 mm cobre.
d)
El comportamiento del cable en (b) cuando hay aberturas en el conductor exterior resulta en una M’ supuesta de 50 pH/m.
Figura B.2 – Comportamiento de Z’ t en función de la frecuencia para distintas configuraciones (a), (b), (c) y (d)
Cuando la fuente y el receptor tienen ambos una impedancia pequeña, en el circuito DM fluye una corriente I int generada por la I CM a través de la impedancia Z t . En un cable corto, la aproximación de I int para LF viene dada por la ecuación (B.2): Iint = Z t ' • ICM • l / Z DM
(B.2)
donde Z DM es la impedancia total del lazo DM: fuente, cable y receptor. La tensión perturbante está ahora dividida por las distintas impedancias en el lazo DM; en (B.3) se observa la fracción dada sobre Z L : U int = Z' t • I' CM • l • Z L /Z DM
(B.3)
La corriente I CM siempre se mide correctamente por una sonda de corriente alrededor del cable. Como se discutió en 7.6, se puede interrumpir algunas veces el circuito CM. Durante la interrupción se desarrolla una tensión CM. Depende de los aparatos (como el transformador en la figura B.3) si esta tensión CM representa un peligro para los aparatos. En el caso extremo puede ocurrir una descarga disruptiva que provocaría una interferencia incontrolable o hasta destrucción. Lo perfecto es que no haya interrupción; la impedancia local parásita del transformador permite siempre que fluya una corriente CM. Esta capacitancia parásita tiene una impedancia menor a frecuencias mayores, lo que agrava el problema de la interferencia.
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NOTA Se desarrolla una tensión CM debido al flujo en el lazo de tierra, por la interrupción del circuito CM (representado aquí por el transformador).
Figura B.3 – Sistema desbalanceado de transmisión conectado a tierra en un extremo
B.2.2
Circuito DM balanceado
Cuando el circuito DM está balanceado, una selección natural divide a la I CM de forma igual en ambos terminales. Para un circuito DM perfectamente balanceado Z’ t es cero (figura B.4). No hay inducción magnética en el lazo DM a causa de las mitades iguales de I CM a través de ambos terminales; también, la tensión DM provocada por la resistencia de los conductores sí aparece en U DM . La reducción real con respecto al cable desbalanceado depende de la simetría a lo largo del cable y de la simetría de los aparatos en los extremos de envío y recepción; con algún cuidado se puede obtener –40dB a frecuencias bajas. Es difícil mantener el balance para todo el espectro de las frecuencias o amplitudes de las perturbaciones (I CM ). Como se dijo antes, el torcido de los conductores no reduce el ramillete de perturbaciones del desbalance residual. En aparatos especiales, diseñados para aceptar la corriente CM a lo largo de los terminales DM para el espectro completo de perturbaciones, se puede utilizar un transporte balanceado de señales sin que haya necesidad de un PEC.
NOTA El sistema balanceado permite una trayectoria bien definida para la corriente CM, indudablemente para las frecuencias bajas. Se debe poner cuidado en la simetría, a lo largo de la línea y en ambos extremos de ella, para evitar que las perturbaciones de CM se conviertan en señal DM. En la cláusula B.4 hay referencias a los números 1, 2 y 3.
Figura B.4 – Sistema balanceado de transmisión
El sistema mostrado en la figura B.4 tiene dos conexiones conductoras explícitas a tierra en ambos extremos del cable. Cualquiera de estas conexiones conductoras puede estar ausente; aún ambas en una configuración balanceada flotante, como es el caso a menudo, por ejemplo, en sistemas profesionales de audio. Sin embargo, siempre es necesario estar prevenido de que las capacitancias parásitas locales todavía proporcionan una trayectoria para las corrientes CM de alta frecuencia.
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B.3
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Cable coaxial
La figura B.5 muestra esquemáticamente un cable coaxial con un conductor exterior sólido. La Z’ t para un conductor exterior delgado (grosor d de pared) ha sido dada por (Kaden, 1956 [10]; Schelkunoff, 1934 [11]): Z' t = R' dc •k • d/sen h (k • d)
(B.4)
donde R’ dc es la resistencia a la corriente continua del conductor exterior, por metro, k = (1 + j) / δ, con el grosor pelicular del conductor exterior δ = (2ρ /µ 0 • µr • ω)1/2 Los otros símbolos tienen los significados usuales: ρ = resistividad del material de la pared; µ o = permeabilidad magnética de vacío; µ r = permeabilidad relativa del material de la pared; ω = frecuencia angular. El comportamiento de esta Z’ t también está representado en la figura B.2.
NOTA La corriente DM a través del terminal interior retorna a través del conductor exterior; la corriente CM fluye a través del conductor exterior. La selección particular de las corrientes DM y CM, que es la misma que en la figura B.1, se explica en la cláusula B.4.
Figura B.5 – Trayectorias de las corrientes en un cable coaxial
Lo que contrasta en el comportamiento, con respecto al cable de dos terminales, es una disminución en Z’ t . El efecto pelicular conlleva una separación efectiva de los circuitos DM y CM: la corriente DM retorna principalmente por la película interior del conductor exterior, la corriente CM fluye principalmente por la parte externa del conductor exterior. El campo magnético causado por I CM está en el exterior del conductor sólido exterior. Por consiguiente, no hay una parte M’ en Z’ t . El conductor exterior es, con frecuencia, trenzado. El campo magnético debido a I CM , que estaba originalmente en el exterior del conductor exterior, penetra a través de las aberturas, ranuras, huecos, etc., como se ha representado en la figura B.6. Ahora hay una parte M’ en Z’ t ; no obstante, generalmente es menor en muchos órdenes de magnitud que la del cable de dos terminales, a niveles de nH/m o pH/m, en dependencia del tipo de cable y de su conductor exterior. Obsérvese que el comportamiento diferente de Z’ t para el sistema desbalanceado de dos terminales y para el sistema coaxial es causado únicamente por el trazado del metal y no depende de la sección del conductor de retorno. El retorno para la señal DM se selecciona como un conductor paralelo al conductor de la señal o como un conductor que circunda al conductor de la señal.
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NOTA – El campo magnético H ext debido a la corriente CM en la pared de un sistema coaxial penetra de una u otra forma a través de las aberturas en la pared. Cuando aparece un flujo neto en el circuito DM, se genera una tensión DM que se puede medir en el extremo del cable.
Figura B.6 – Tensión de modo-diferencial indicada por un campo magnético en un cable con pantalla trenzada
B.4
Circuitos para modo diferencial y para modo común
Las cláusulas B.2 y B.3 tratan del transporte de una señal desbalanceada a través de un cable bifilar o de un cable coaxial. El circuito para la señal pretendida está formado por los conductores 1 y 2 en las figuras B.1 y B.5, por los que fluyen las corrientes I 1 e I n , respectivamente, en la misma dirección. En la configuración desbalanceada, el conductor 2 está conectado a la tierra local en ambos extremos del cable. La corriente CM se supone, generalmente, que sea igual a I 1 + I 2 . Esta corriente CM retorna por tierra, la que se muestra como el conductor 3 en las figuras B.1 y B.5. Para los cálculos se puede suponer que el valor pleno de la corriente CM fluye a través del conductor 2 a tierra. El lazo de la corriente DM se escoge para que sea el circuito antes mencionado de señal, los conductores 1 y 2, la fuente de la señal y la carga. La selección para los circuitos CM y DM implica que I 1 = I DM e I 2 = I CM - I DM . Considérese, por ejemplo, un cable apantallado: la pantalla es la trayectoria de retorno preferida para una corriente de señal a través del terminal interior. Cuando la pantalla es un buen conductor sólido, las corrientes I CM e I DM representan los modos adecuados de transmisión electromagnética; I DM fluye en la pared interior e I CM fluye en la pared exterior de la pantalla, debido al efecto pelicular. El circuito CM está también de acuerdo con la definición y con los métodos de medición para la impedancia Z t de transferencia. En la figura B.1, la tensión sobre la entrada de alta impedancia es la tensión DM (U DM ), de acuerdo con la definición dada en 3.5. La contribución debida a la corriente CM es igual a [Z t • I MC • ℓ], donde ℓ es la longitud del cable. Cuando la impedancia Z DM del lazo DM completo, incluida la impedancia de entrada del receptor, es baja, fluye alguna corriente DM (I DM ) debida a la tensión [Z t • I MC • ℓ] sobre Z DM . Esto no afecta directamente el valor de I CM o el de Z t . El transporte balanceado de una señal a través de un cable de dos terminales exige terminaciones balanceadas en ambos extremos y una posición simétrica de ambos conductores (1 y 2) con respecto al 3, la tierra o el conductor de retorno. Una selección razonable para la combinación de I CM y de I DM , que conduce a una descripción simple, es I CM = I 1 + I 2 e I DM = (I 1 – I 2 ) / 2 o, inversamente, I 1 = I CM / 2 + I DM e I 2 = I CM / 2 – I DM . Los valores seleccionados de I CM y de I DM corresponden a los modos de transmisión electromagnética para un cable simétrico. La opción para I CM es análoga a la definición dada en 3.4. Las verdaderas corrientes I 1 e I 2 se pueden representar por conjuntos escogidos de manera diferente de las corrientes I DM e I CM ; la matriz de transformación lineal será diferente para cada elección. Esta libertad se debe usar para lograr cálculos más fáciles o más convenientes y una descripción de acuerdo con el comportamiento a frecuencias altas. Ambas elecciones propuestas anteriormente se pueden adaptar con facilidad a cables multiapantallados o a cables multi-terminales por la definición adicional de las corrientes más apropiadas y sus lazos. Los cables, entonces, deben cerrar dentro del cable; sólo el lazo CM cierra vía el exterior del cable. Un procedimiento de este tipo se sigue en C.2.1 y C.2.2 subsiguientes.
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Como se describió antes, en ambos casos, balanceado y desbalanceado, una sonda de corriente que circunde el cable mide correctamente la corriente CM. Por supuesto, la Z t puede ser muy diferente para los cables en los dos sistemas.
B.5
Apantallamiento contra campos-E y campos-B por medio del conductor exterior de un cable coaxial
El conductor exterior tiene tres funciones. Primero, sirve como una trayectoria de retorno para la corriente DM; en consecuencia, el conductor exterior debe estar conectado siempre en ambos extremos al circuito DM. Segundo, él forma parte del circuito CM, como se indicó en B.3. Tercero, él puede apantallar el interior del cable contra campos-E y campos-B externos, de ahí que sea llamado con frecuencia: pantalla. La cuestión es si tal apantallamiento es efectivo y, también, si es necesario. B.5.1
Apantallamiento contra campos-E
Un conductor externo de metal sólido es una pantalla muy buena para los campos-E de todas las frecuencias. Como fuente del campo-E, se puede pensar en algún otro conductor a alguna distancia del cable, con alguna tensión respecto al conductor exterior. Al conectar a tierra el conductor exterior al menos en un extremo o al circuito CM, se crea una trayectoria de retorno para la corriente acoplada capacitivamente. Entonces, se evitan grandes tensiones CM en ambos extremos. En la figura B.7 se muestran ejemplos de corrientes inducidas.
(a) Corrientes longitudinales desde un extremo conectado a tierra hacia un extremo conectado a tierra (conductor exterior como un elemento de circuito DM y CM), o que llega al conductor exterior como una corriente de desplazamiento, como resultado de un campo-E externo (conductor exterior como pantalla); este último circuito se puede cerrar al conectar a tierra el conductor exterior en un extremo. (b) Corrientes circulantes sobre el conductor exterior, inducidas por un campo-B longitudinal (conductor exterior como pantalla). (c) Modelo de corrientes inducidas por un campo-B perpendicular al eje del cable (conductor exterior como pantalla)
Figura B.7 – Corrientes en el conductor exterior de un cable coaxial
Las aberturas en el conductor exterior permiten que las líneas de campo-E penetren en el circuito DM. La corriente inducida en el terminal de señal se puede describir por una admitancia Y t de transferencia. Esta admitancia es, muy a menudo, una capacitancia entre un terminal externo a tierra y el terminal interior del sistema coaxial. Y t es cero para un conductor exterior de metal sólido.
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Apantallamiento contra campos-B
Se pueden distinguir dos orientaciones diferentes al campo-B externo: perpendicular y paralelo al eje del cable. Las corrientes inducidas en el conductor exterior se muestran en la figura B.7(b) y B.7(c). No hay una corriente neta inducida en la pantalla. Los campos externos penetran un conductor exterior sólido a frecuencias tales que r · d < δ 2 , siendo r el radio del conductor exterior y d y δ tal y como se dieron en B.3. Para un conductor exterior trenzado, el modelo de corrientes es más complejo; como resultado; hay un apantallamiento menor. Para los cables utilizados más comúnmente con un conductor exterior trenzado y un valor pequeño del producto [r x d], un campo-B externo penetra en el interior del cable. Sin embargo, esto no induce una tensión DM en el cable cuando el conductor central está en el eje del cable. Un campo-B local en el cable no induce una corriente CM. Para esta corriente se debe considerar el flujo total a través del circuito CM, así como la impedancia total del lazo de la corriente CM. B.5.3
Apantallamientos contra ondas-EM
Por lo general, un cable coaxial se coloca en las instalaciones cerca de superficies metálicas grandes. Las ondas-EM que lo cortan son modificadas en gran medida por las reflexiones. El conductor exterior del cable es precisamente uno de los conductores conectados a tierra. Se induce una corriente en el conductor exterior; el acoplamiento al circuito DM está representado por Z t . Las líneas del campo eléctrico finalizan perpendicularmente en el conductor exterior del cable, en forma predominantemente; algunas líneas del campo-E pueden pasar a través de los huecos en el conductor exterior e inducir una corriente DM. De nuevo, el acoplamiento vía Z t es con frecuencia el predominante. B.5.4
Emisión de ondas-EM
La emisión por un cable coaxial está representada con precisión por un proceso de dos pasos: primero, el circuito DM se acopla vía Z t al circuito CM, que es aquí el conductor exterior. El circuito CM o conductor exterior actúa entonces como una antena. Se puede impedir la admisión indeseable por la reducción de los dos parámetros de transferencia o por el aumento de la impedancia para la corriente CM, por ejemplo, mediante cordones de ferrita alrededor del cable. Como una alternativa, se puede cambiar el trazado del circuito CM de manera que el circuito se convierta en una antena pobre. También ayuda la aplicación de metal en la vecindad del cable.
B.6 B.6.1
Acoplamiento a un cable de dos conductores sin pantalla Campos-E
Las líneas de campos-E que terminan en un cable de dos conductores causan una corriente (desplazamiento) a través de ambos conductores. La figura B.8 muestra el esquema de un circuito equivalente. Para una posición simétrica de los conductores con respecto a una tierra cercana, las corrientes I int en ambos conductores son iguales. También ayuda el torcimiento de los conductores para distribuir las corrientes en forma más pareja en ambos conductores. Las tensiones perturbantes de CM y DM en ambos extremos del cable dependen de: a) las impedancias en ambos extremos del cable; b) la capacitancia entre los conductores; c) si el circuito está balanceado o no.
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Figura B.8 – Un cable de 2 conductores perturbado por un conductor cercano a la tensión U ext
La tensión U DM,dist de una perturbación DM es cero para una terminación balanceada perfectamente. Como se mencionó antes, tal balance es casi imposible de obtener en una gama amplia de frecuencias. Para una terminación desbalanceada con un conductor conectado a tierra, U DM,int viene dada por la ecuación siguiente (B.5): UDM,int = U ext • Y' t •l • Z par
(B.5)
Siendo Z par la impedancia de la fuente y la carga en paralelo (ver también la figura 18). Además, la corriente I int a través del conductor conectado a tierra puede inducir una tensión DM de segundo orden a través de Z t . B.6.2
Campo-B
Los campos-B perpendiculares al plano de los conductores resultan en un flujo magnético entre los conductores. El torcimiento de ambos conductores forma una serie de áreas pequeñas con flujos opuestos en el lazo del circuito DM; se reduce el flujo total en el circuito DM. Los dos conductores pueden estar torcidos disparejamente; en el caso extremo, un conductor hace una espiral alrededor del otro conductor recto. Se forma entonces un área capturadora de flujo para los campos-B paralelos a la línea; esto provoca una tensión de inducción DM, que no ocurre para un cable no torcido o torcido en forma pareja. B.6.3
Acoplamiento con ondas-EM
El cable balanceado de dos conductores es una antena pobre con respecto a I DM , aún a frecuencias superiores a 100 MHz. El desbalance puede ocurrir sobre la longitud del cable o en ambos extremos del cable; este desbalance causa una conversión de las señales DM a CM, y viceversa. El cable es a menudo una antena efectiva para I CM , considerando tanto la emisión como la recepción. Esta antena se puede hacer menos efectiva si hay un metal cercano, como se discutió en B.3 para el cable coaxial.
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Anexo C (informativo) Beneficios de conductores adicionales paralelos a un cable
C.1
Generalidades
El conductor de tierra paralelo (PEC) ya ha sido propuesto en 7.3 y 7.5. El propósito del PEC es reducir la corriente CM a través de los conductores que portan también la señal DM (ver figura C.1). De hecho, hay ahora dos circuitos externos al circuito DM. Uno es el circuito intermedio entre el PEC y el propio cable. El segundo es el gran circuito CM externo al PEC.
Izquierda: Un cable coaxial con un conductor en paralelo para desviar en algo la corriente perturbadora del propio cable. Cuando el conductor exterior del cable y el conductor paralelo son de tamaño comparable y se conectan uno al otro en ambos extremos, la corriente perturbadora de AF se divide en partes casi iguales entre el conductor exterior y el conductor paralelo. Derecha: Sistema coaxial en un conducto eléctrico. La corriente CM fluye a través del conducto, como se representa según la figura C.2.
Figura C.1 – Cables coaxiales con conductores de tierra en paralelo
El PEC está siempre conectado a la tierra local en ambos extremos. El PEC puede ser, en orden descendente en el valor de la impedancia de transferencia: un conductor paralelo, una chapa plana, un conducto eléctrico, una (segunda) trenza y la tubería de pared sólida son los equivalentes de los circuitos DM descritos en B.2.1 y B.2.2, en que el conductor de la señal está sustituido por un cable. Las expresiones equivalentes para la admitancia total de transferencia han sido aportadas por (Vance, 1976 [6]).
C.2 C.2.1
Ejemplo de conductores adicionales Cable coaxial con dos conductores exteriores
Se considera un cable coaxial con dos conductores sólidos exteriores a su alrededor a alguna distancia uno del otro, con una separación de aire (ver figura C.2). Los dos conductores exteriores están interconectados en ambos extremos del cable.
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Para una descripción, se procede según las mismas líneas que en B.1. Hay dos circuitos en el exterior de DM. El circuito intermedio IM está ahora bien definido. El circuito externo es el gran circuito (CM) presente originalmente, pero que ahora está modificado por el PEC. El acoplamiento entre el circuito IM y el circuito CM está dado por la Z’ t del PEC. La corriente CM fluye a través del conducto eléctrico. Alguna corriente perturbadora IM fluye a través del conductor externo del cable, en el lazo intermedio formado por el conductor exterior y el conducto eléctrico. La corriente I IM en la pantalla del cable se convierte, según (C.1) en: IIM = ICM • Z' t,PEC •l/Z IM
(C.1)
Siendo Z’ t,PEC la impedancia de transferencia del PEC y Z IM la impedancia del lazo IM. Con una aproximación buena, la impedancia total de transferencia Z’ t está dada por la ecuación (C.2): Z' t = Z' t,PEC •Z t,IM /Z IM
(C.2)
Siendo Z t,IM la impedancia de transferencia entre el circuito IM y el circuito DM. La corriente I IM es menor que I CM cuando la impedancia de transferencia del conducto (Z’ t,PEC ) es menor que la impedancia del lazo IM (Z IM ). Esta condición se puede satisfacer con facilidad para las chapas usuales de los conductos y las posiciones del cable. La impedancia Z IM del lazo IM se puede escoger a voluntad mediante una aplicación adecuada del espaciamiento de aire, la ferrita, el hierro o el metal-mu; variará según la aplicación (ver Vance, 1976 [6]). La impedancia total de transferencia está dada, con una buena aproximación, por la ecuación (C.1). La impedancia Z CM se puede ahora escribir como R 1 + R 2 + jω · L, donde R 1 y R 2 son las resistencias de los dos conductores y L representa el flujo magnético entre el conductor interior y el exterior, todos estos tres parámetros como se ven por el lazo interior de la corriente CM. En la figura B.2 se muestra un ejemplo calculado. Ambas resistencias y la inductancia son aumentadas en valor por ferrita o metal-mu colocadas en el lazo CM como se mencionó en la cláusula 8. Tales cables están disponibles comercialmente como cables "de baja EMI" o "superapantallados". Obsérvese que ya a frecuencias bajas (varios kilohertz), la inductancia determina más que la resistencia sobre el flujo de corriente aún con un espacio de aire. Los cables coaxiales con tres conductores externos se pueden discutir según la misma línea de razonamiento.
NOTA En un cable coaxial con dos conductores exteriores, hay corrientes en los tres circuitos (DM, IM y CM), como se indica. Los conductores exteriores están conectados en los extremos A y B.
Figura C.2 – Cable coaxial con dos conductores exteriores
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Cable de dos conductores balanceado en un conductor exterior
Un ejemplo de frecuencia baja es un cable balanceado de micrófono (ver figura C.3). Dentro de la pantalla hay dos modos diferenciados, un modo balanceado (DM b ) entre dos conductores y un modo desbalanceado (DM u ) de ambos conductores en paralelo con la pantalla como retorno. Las dos tensiones importantes son U DMb entre los dos conductores y U DMu entre ambos conductores y el conductor externo. Como consecuencia, hay dos impedancias de transferencias, las que representan el acoplamiento entre la corriente CM (I CM ) a través del conductor externo: Z t,DMb que representa el término perturbador en U DMb causada por la I CM y Z t,DMu para el término perturbador correspondiente en U DMu El comportamiento de ambas Z t está representado en la figura C.3. La Z t,DMu se comporta de manera similar que la Z t para un solo conductor en un conductor exterior, ver la curva d en la figura B.2. La Z t,DMb carece de una parte resistiva; la parte inductiva es sustancialmente menor que la de Z t,DMu ; con algún cuidado en la construcción se puede obtener –40 dB. Los valores reales para Z t,DMu dependen mucho de la construcción del cable y de su historia, forma de montaje, etc. Por esto es que no se dan en la figura C.3 escalas absolutas. Para un circuito DM flotante, o sea, que no está conectado a tierra en cualquiera de sus extremos, como es usual por ejemplo en algunos circuitos de audio, la tensión U DMu está compartida en ambos extremos por las interrupciones.
Izquierda: un cable balanceado de dos conductores en una pantalla Derecha: La impedancia de transferencia en un par apantallado balanceado
Figura C.3 – Impedancia de transferencia en un par apantallado balanceado
C.2.3
Conductos eléctricos como conductores de tierra en paralelo
La Z t calculada para un conducto general se muestra en la figura C.4 (van der Laan, 1993 [12]). Las dimensiones de este conducto de aluminio son: altura h igual a dos veces la anchura, o sea, 9 cm. (ver también la figura C.5). El grosor de la pared es 1 mm. El conductor de medición está a 0.75 mm por encima del punto medio del fondo de este conducto. Un conducto de cobre tiene una resistencia de d.c. ligeramente inferior. Un conducto de acero del mismo tamaño tiene una resistencia de d.c. mayor, pero su |Z t | desciende a una frecuencia inferior que para un conducto de aluminio o de cobre cuando el acero tiene un µ r alto. Además, el acero proporciona una amortiguación debido al efecto pelicular para las corrientes IM dentro del conducto y para las corrientes externas. Los conductos de acero son los preferidos.
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Frecuencia
NOTA La Z t por metro, para un conducto de aluminio de 1 mm de grosor con una altura igual al doble del ancho, o sea, 90 mm, con un conductor de medición a 0,75 mm por encima del medio del fondo. Los puntos son los valores calculados. La línea es una guía para el ojo. Por debajo de 100 Hz, Z t es igual a la resistencia de d.c.. Por encima de 100 HZ la corriente se concentra en los bordes del conductor y la Z t se reduce. A unos 7 kHz el efecto pelicular se vuelve importante; por encima de 40 kHz, la Z t está dominada por una M’ = 150 pH/m para este conducto y posición del cable.
Figura C.4 – Ejemplo de impedancia de transferencia en función de la frecuencia para un conducto de aluminio
Para los conductos, la parte M’ depende muy poco del material, pero fuertemente de la forma. En la figura C.5 (van Houten, 1990 [9]) se da la variación de M’ en función de la razón anchura/altura. El factor g representa la razón entre la parte M’ de Z t y la M’ para una chapa plana de referencia. En esta comparación, cada conducto con su dimensión adecuada (2 x h + 2 x w) se hace doblando una chapa plana con el mismo grosor y anchura total constante. La corriente I CM se mantiene también constante. Se prefieren los conductos profundos debido a sus valores inferiores de M’. A una altura fijada, la parte M’ depende también de la posición del cable sobre el fondo. Los campos magnéticos disminuyen cerca de las esquinas, como se muestra en el intercalado de la figura C.5; la parte M’ de Z t disminuye consecuentemente.
NOTA La curva muestra la inductancia mutua M para un conducto, normalizada con respecto a aquella para una chapa desdoblada de la misma dimensión (2 x h + 2 x w). El intervalo muestra varias líneas de campos magnéticos para un conducto con dimensiones h = 2 x w.
Figura C.5 – Inductancia mutua y campo magnético para un conducto o una bandeja portacables
C.2.4
Cubiertas sobre un conducto
Una buena cubierta satisface los mismos requisitos que el propio conducto: una estructura continua, conectada al conducto de manera que conduzca bien, al menos en ambos extremos. Se prefiere una cubierta de muchos contactos, tales como presillas metálicas a todo lo largo del conducto.
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Cuando se necesita también un acceso fácil al cable, se puede utilizar una cubierta aislada, al costo de un incremento de la impedancia de transferencia. El solape entre la cubierta y el conducto es importante. Se prefiere una cubierta interior, porque da por resultado un valor inferior de M’ (por un factor de 2) del conducto y de la cubierta (van Houten, 1990 [9]).
NOTA Para la EMC, se prefieren las cubiertas interiores por el valor inferior de la componente M’ de la inductancia mutua.
Figura C.6 – Cubiertas aisladas sobre un conducto
C.2.5
Resonancia en el lazo de modo común
El circuito IM se hace compacto cuando hay un PEC. Las resonancias en la línea de transmisión así formada pueden aumentar el valor de la corriente IM en el caso de interferencia de armónicas y, así, incrementa el acoplamiento efectivo del cable en los circuitos DM. Un primer remedio sería cortocircuitar el circuito IM a intervalos breves irregulares. Esto aumenta las frecuencias resonantes, pero disminuye los factores Q por la amortiguación ocasionada por el efecto pelicular. La estructura irregular inhibe también las ondas viajeras en los circuitos IM. Un segundo remedio consiste en proporcionar la amortiguación por medio de resistores, o proveer ferrita absorbente alrededor del cable en el PEC.
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Anexo D (informativo) Bibliografía D.1
Documentos citados
[1]
Kouteynikoff, P. “Numerical computatiom of the grounding resistence of substations and towers”, IEEE Transactions PAS-99, No. 3, May/June 1980, pp. 957-965.
[2]
Kuussaari, M., A.J. Pesonen, “Mesures de l’impedance de terre des postes HT”. Rapport 3602, présenté à la session 1978 de la CIGRE (Paris).
[3]
Lu, I.D., R.M. Shier, “Application of a signal analyzer to the measurement of power system ground impedances”, IEEE Transactions PAS 1oo, No. 4, April 1981, pp. 1918-1922.
[4]
Montandon, E., “Bonding and routing practice with respect on lightning protection and EMC”, Proceedings, 21 st ICLP, Berlin, September 1992.
[5]
Schnetzer, G.H. and R.J Fisher, “Measured responses of a munitions storage bunker to rocket-triggered lightning”, Proceedings, 21 st ICLP, Berlin, September 1992, pp. 237-242
[6]
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[7]
Goedbloed, J.J., Electromagnetic Compatibility, Prentice Hall, 1992, from a Dutch publication: Elektromagnetische Compatibiliteit, Kluwer, Deventer (Netherlands), 1990.
[8]
Benda, S., “Earthing and bonding in large installations“, ABB Review, 1994, pp. 22-29.
[9]
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[10]
Kaden, H., Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentecnik, 2 nd edition, Springer Verlag, Berlin, 1959.
[11]
Schelkunoff, S.A., The Electromagnetic Theory of Coaxial Transmission Lines and Cylindrical Shields, Bell Syst. Techn. J. 13 1934, pp. 532-579.
[12]
van der Laan, P.C.T. M.J.A.M. van Helvoort, A.P.J. van Deusen, M.A. van Houten, “New developments in grounding structures for the protection of micro-electronics”, Proc. Int. Zürich Symp. on EMC, Zürich, 1993, pp. 415-418.
D.2
Documentos consultados
IEC 61000-2-1:1990, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 2: Environment – Section 1: Desriptin of the environment – Electromagnetic environment for low-frecuency conducted disturbances and signalling in public low-voltage power supply systems. IEC 61000-2-1:1990, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 2: Environment – Section 3: Desriptin of the radiated and high frequency conducted phenomena.
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IEEE Standard 81-1980 : Guide for measuring ground resistances and potential gradients in the earth. Laurent, P.G., “Guide sur le calcul, l’exécution et la mesure des prises de terre”, Revue Générale d’Électricité, T 81 nos 7/8 et 9, 1972. Sunde, E.D., Earth conduction effects in transmission systems, Dover Publ. Inc., New York, 1968. Tagg, G.F., Earth resistances, George Newnes, 1964.
