Serie: “Confiabilidad en Sistemas de misión Critica: Empezar por el Principio”. Sistemas de Puesta a Tierra (II Parte)

Introducción

Continuando con la Serie Confiabilidad en Sistemas de Misión Crítica, Empezar por el principio; nos proponemos llevarle a nuestros lectores los puntos de interés a partir del artículo inicial.

Decíamos en el primer artículo que los Sistemas de Misión Crítica son:

“… aquellos que son indispensables para que funciones de importancia relevante se lleven a cabo con éxito, ya sea en una empresa, un gobierno o cualquier tipo de organización.

Los Datacenters que soportan las operaciones del sistema financiero, de los sistemas de salud, de la red de seguridad y atención a emergencias de un país o región (ej.*911) y otros similares son ejemplo de Sistemas de Misión Crítica, pero también la PBX de una empresa de CallCenter comercial será vista como un sistema crítico en el análisis de riesgo del negocio.

En términos comerciales diríamos que no son el producto final, pero son necesarios para que el mismo exista…”

El modelo sobre el cual trabajaremos en toda ésta serie fue presentado en la primera parte y es el siguiente:

“…A continuación presentamos el modelo sobre el que basamos el trabajo de análisis, diseño y desarrollo de disponibilidad y confiabilidad para Sistemas Críticos.

Figura 1
Figura 1

A modo de ejemplo:

• Sistema de puesta a tierra.
• Supresores de sobretensiones (SPD’s).
• Monitoreo y gestión.
• Técnicas, procedimientos y gestión de Operación y Mantenimiento (O&M).
• Gestión de riesgos.
• Planes de contingencia.

Sistemas de Puesta a Tierra

Un Sistema de puesta a Tierra (SPAT) o instalación de puesta a tierra “es aquella instalación eléctrica que tiene como misión derivar corriente hacia la tierra, o bien, establecer contacto con ella; las corrientes involucradas pueden ser de naturaleza estacionaria, cuasi estacionaria, de alta frecuencia o electromagnética en forma de impulsos, corrientes que pueden ser originadas durante el funcionamiento de un sistema técnico hecho por el hombre o causado por un fenómeno natural.

Se demuestra por otra parte que la puesta a tierra más elemental satisface los requisitos para considerársele sistema”

Bonding y Grounding

Existen diferencias entre estos dos términos, y muchas veces se usan erróneamente como sinónimos. Veamos en detalle:

Bonding

Es la interconexión eléctrica de partes conductivas, diseñada para mantener un potencial eléctrico común. La conexión debe ser permanente y asegurar la continuidad eléctrica y la capacidad de conducir en forma segura cualquier corriente.

Grounding

Es la conexión, intencional o accidental de un circuito eléctrico a tierra o a algún cuerpo conductor (chasis) de tamaño tal que sirve como tierra.

En la siguiente imagen se pueden ver los dos tipos de conexión, el Grounding a la izquierda, y una unión (Bonding) entre los dos bloques delimitados por líneas punteadas. La aplicación es en un sistema de Neutro tipo TN:

Figura 2
Figura 2.
Fuente: Commercial Building Grounding and Bonding Requirements, J-STD-607-A

Conexión a tierra del sistema eléctrico

Otro concepto, habitualmente no bien comprendido, es el de la puesta a tierra del sistema eléctrico. Esto es, la forma en que está vinculado a tierra el transformador y las subestaciones de las cuáles se alimenta la instalación eléctrica en cuestión.

En esta categoría caben las conexiones de neutro, tanto a tierra, como aislados, con impedancia o con resistencia. El tema es profundo y complejo y debe ser tratado en detalle.

A continuación se puede ver un resumen de los esquemas de conexión de Neutro más utilizado:

Figura 3
Figura 3.
Fuente: IEEE 142. Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems

El correcto diseño de la conexión eléctrica a tierra y del SPAT, aseguran la protección a personas y bienes, además de la confiabilidad de la instalación, ya que es la base para la protección contra transitorios y descargas.

En sistemas de corriente continua es muy importante contemplar globalmente el SPAT junto con el grounding del sistema de potencia, especialmente por las corrientes nominales de servicio que son muy importantes y por lo tanto no es necesario llegar a un cortocircuito para que el evento sea peligroso.

Consideraciones generales

Según IEEE 1100-2005, el SPAT:

  • Provee un camino de baja Impedancia para el retorno de corrientes de falla.
  • Mantiene una baja diferencia de potencial entre metales expuestos (chasis) con el objetivo de proteger a las personas.
  • Funciona como control de sobre voltaje.

¿Por qué debemos hablar en estos casos de reactancia y no resistencia?

  • Habitualmente se hacen cálculos con resistencia de 50 Ω, pero en 50/60 Hz.
  • ¿Qué sucede con la resistencia cuando aumenta la frecuencia?
    • Deja de ser significativa, y pasa a ser importante la Reactancia.
    • Este problema se incrementa con cargas no lineales.
Figura 4
Figura 4.
Fuente: IEEE 1100-2005, pág. 113
Figura 5
Figura 5.
Fuente: IEEE 1100-2005, pág. 115
Figura 6
Figura 6.
Fuente: IEEE 1100-2005, pág. 115

Estos puntos deben ser tenidos en cuenta al diseñar el sistema de puesta a tierra, ya que, de no hacerlo la corriente circulante puede llegar a ser mayor que la de diseño y los resultados operativos muy malos (incluso catastróficos).

La respuesta en frecuencia es fundamental en el análisis de sobretensiones transitorias por descargas atmosféricas.

Protección contra sobretensiones transitorias

Los Surge o sobretensiones transitorias son fenómenos inevitables con los que cualquier instalación eléctrica debe convivir, se pueden reducir, controlar y mitigar su impacto, pero no se pueden eliminar.

Son los causantes de una gran cantidad de fallas que parecen aleatorias pero que no lo son, en muchos casos generan desgaste prematuro por acumulación, pero al no haber una vinculación directa entre el fenómeno y la consecuencia (como por ejemplo cuando “cae un rayo”), se tiende a pensar que es una fatalidad y que no había nada por hacer.

Origen de las perturbaciones (sobretensiones y sobrecorrientes)

Según la Norma IEEE C62.41.1-2002, las perturbaciones se originan por:

Descargas atmosféricas

Son el resultado de un rayo directo sobre el sistema eléctrico, una estructura metálica perteneciente al mismo, o en sus cercanías (incluido el suelo). Cuando las descargas son lejanas puede haber efectos también, debido a la inducción de sobretensiones en las instalaciones.

Perturbaciones por maniobras

Típicamente conmutaciones intencionales en la red eléctrica, tales como conmutación de capacitores de reactiva, on/off de grandes cargas, transferencias automáticas, etc.

También se pueden deber a acciones correctivas posteriores a fallas del sistema (típicamente recierre de líneas), o a eventos no intencionales (fallas).

Sobretensiones originadas en interacción de sistemas

Típicamente ocurren durante el flujo de sobrecorrientes en un sistema de AC interconectado con otros, y estos últimos son afectados debido a la interconexión.

Daños causados por sobretensiones en equipos electrónicos

Figura 7
Figura 7.
Fuente: Dranetz, Handbook for Power Quality

Vemos en esta tabla la importancia que tienen “pequeños eventos” en la operativa del equipamiento usado en sistemas informáticos y de telecomunicaciones.

Prevenir no sólo los daños de hardware, sino los que refieren a los procesos debe ser el objetivo de todo administrador u operador de un Data Center o Sistema Crítico.

¿Se tienen en cuenta estas limitaciones en la sobretensión admisible a la hora de diseñar Datacenters y nodos de telecomunicaciones? La disponibilidad de los servicios que corren sobre el hardware del Datacenter está directamente relacionada con estos eventos, aunque no haya “secuelas” visibles o inmediatas en el equipamiento.

EMI/RFI

Los requerimientos de contemplar la interferencia radioeléctrica y electromagnética son imprescindibles en sistemas electrónicos y especialmente de TI; tanto para evitar ser afectado, como para no afectar a los equipamientos vecinos.

Problemas más comunes de SPAT

A continuación presentamos una lista de problemas detectados en relevamientos y trabajos de reingeniería. La misma no pretende ser exhaustiva ni mucho menos una referencia absoluta sobre el tema; pero puede ayudar a intentar entender por dónde comenzar en caso de tener problemas.

Loop de tierra

Los loop de tierra son peligrosos para el funcionamiento del sistema, especialmente para bajas frecuencia, y se forman cuando dos o más puntos en un sistema eléctrico que está nominalmente puesto a tierra, están conectados por un conductor que tiene por lo menos un extremo a potencial diferente. En altas frecuencias es importante tener “retornos” de GND para evitar ruido EMI/RFI, pero todo esto debe manejarse con criterio, especialmente cuando hay alimentaciones de distintos sistemas eléctricos, y se forman loop con sistemas que tienen distinta conexión de Neutro a GND. Muchas veces los loops son originados por interconexión de sistemas de datos (ej RS-485, RS-232) que corresponden a locaciones diferentes y tienen distintos sistemas eléctricos y de GND.

Malla de tierra con diseño no adecuado a las corrientes circulantes

Muchas veces se encuentra que los cálculos iniciales son inexistentes, o basados en supuestos que no son los que corresponden al contexto operacional de la industria o edificio en cuestión. Esto lleva como primera cosa a ocuparse de la seguridad de las personas, los voltajes de paso y de toque pueden llegar a ser peligrosos en casos puntuales de descargas que incrementen el potencial, máxime si las protecciones diferenciales no son las adecuadas. El siguiente problema es el de la continuidad de servicio, especialmente en un entorno crítico, ya que puede haber daños de hardware.

Resolución deficiente de la interacción entre múltiples fuentes

Es un problema que puede estar vinculado al descrito anteriormente. En sistemas que tienen generación de emergencia (generalmente diésel) con transferencias automáticas, puede haber transferencias de referencia de neutro, o incluso “neutros compartidos”, que generan circulación de corriente en servicio, o; peor aún, corrientes de falla y cortocircuito por lugares que no tienen las protecciones diseñadas para tales eventos. Típicamente estos problemas forman parte de la causa raíz de fallas y salidas de servicio intempestivas de generadores diésel, o destrucción de interruptores por los cuales, en teoría, no deberían circular grandes corrientes.

Ausencia de mantenimiento

Problema detectado en forma permanente; el sistema de puesta a tierra fue instalado, enterrado, y con suerte probado; luego se asume que estará en buen estado de por vida. La verdad es que hay múltiples factores que van afectando el sistema con el paso del tiempo, por ejemplo los cambios de humedad debido a cambios en el suelo, esto cambia la resistencia (resistividad aparente) y con ello la performance del SPAT.

Otro punto que contribuye a disminuir la humedad es la evaporación que se produce en los alrededores de los electrodos cuando hay descargas; por lo que la revisión del sistema debe tener una cierta periodicidad. También se detectan habitualmente problemas de conexiones defectuosas, oxidación, y especialmente loops involuntarios debidos a la operación diaria, por ejemplo con agregados de equipos que tienen más de una conexión de GND, desinstalación de equipos a los que se deja la conexión de tierra suelta sobre partes metálicas y generan retornos, etc.

Resumen

Partiendo de las conclusiones del primer documento de ésta serie, recordamos que se debe realizar un diseño para fallos, y no contra fallos. Cualquier sistema va a fallar, podemos crear las condiciones para que ese fallo no afecte, o afecte lo menos posible la misión del sistema.

En el caso del sistema de puesta a tierra, se debe diseñar adecuadamente para cumplir su función en las condiciones más exigentes, pero también se debe planificar y ejecutar un mantenimiento acorde al contexto operacional de la instalación. Las “fallas aleatorias” muchas veces no son tan aleatorias, sino que son fruto de problemas ocultos con efecto acumulativo.

Autor: Nicolás Pintos Souza
Socio-Gerente, NPConsulting
Correo: info@npconsulting.com.uy

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