Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE – 0502 Proyecto Eléctrico “REDISEÑO ELECTRICO DEL EDIFICIO AMARILLO DEL COMPLEJO INS SALUD” Por: Milena María Mesén Solórzano Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Julio del 2010 “REDISEÑO ELECTRICO DEL EDIFICIO AMARILLO DEL COMPLEJO INS SALUD” Por: Milena María Mesén Solórzano A53452 Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: _________________________________ Ing. JUAN RAMÓN RODRÍGUEZ SOLERA Profesor Guía _________________________________ Ing. PETER BERNAL ZELEDÓN Profesor lector _________________________________ Ing. Wagner Pineda Rodríguez Profesor lector DEDICATORIA A mis amados padres, que me han apoyado, durante estos años de mi carrera, a mi familia y a mis seres queridos, a mis compañeros, y en primer lugar a mi creador, porque sin Dios nada es posible. iii RECONOCIMIENTOS Al los ingenieros Juan Ramón Rodríguez, Warner Pineda y Peter Zeledón por brindarme su ayuda y compartir sus conocimientos. iv ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS ...............................................................................vii ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................viii RESUMEN ................................................................................................... ix CAPÍTULO 1: Introducción ......................................................................... 1 1.1 Objetivos ............................................................................................................ 2 1.1.1 Objetivo general ............................................................................................ 2 1.1.2 Objetivos específicos..................................................................................... 2 1.2 Metodología ........................................................................................................ 3 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico ................................................................ 4 2.1 Calidad de energía .............................................................................................. 4 2.1.1 Aspectos sobre la calidad de la energía .......................................................... 4 2.1.2 Terminología para la descripción de disturbios .............................................. 6 2.1.3 Tipos de carga ............................................................................................. 12 2.1.4 Formas de mejorar la calidad de la energía .................................................. 12 2.2 Distorsión Armónica ......................................................................................... 14 2.2.1 Fundamentos ............................................................................................... 14 2.2.2 Descomposición de una señal de voltaje o corriente en componentes armónicos ................................................................................................................................. 15 2.2.3 Efectos de la distorsión armónica ................................................................ 20 2.2.4 Medidas de Mejoramiento de instalaciones eléctricas contaminadas por armónicas ................................................................................................................. 21 2.3 Radiología ........................................................................................................ 22 2.3.1 Introducción ................................................................................................ 22 2.3.2 Teoría sobre los Rayos X ............................................................................ 22 2.4 Efectos de las descargas atmosféricas ................................................................ 35 2.4.1 Sobrevoltaje por carga estática .................................................................... 35 2.4.2 Sobrevoltajes por descargas indirectas ......................................................... 35 2.4.3 Sobrevoltajes por descarga directa ............................................................... 36 Capitulo 3: Diseño ....................................................................................... 38 3.1 3.2 Introducción ...................................................................................................... 38 Consideraciones de Diseño ............................................................................... 38 3.2.1 Seguridad .................................................................................................... 38 3.2.2 Requisitos de carga y gestión de la energía .................................................. 39 v 3.3 3.4 3.5 3.6 3.2.3 Equipo Especial. ......................................................................................... 39 3.2.4 Sistemas de energía eléctrica ....................................................................... 41 3.2.5 Sistema de puesta a tierra ............................................................................ 44 Protecciones de la estructura ............................................................................. 44 3.1.1 Introducción ................................................................................................ 44 3.3.2 Pararrayos ................................................................................................... 45 Norma NFPA 780 ............................................................................................. 48 3.4.1 Sistemas de pararrayos ................................................................................ 48 3.4.2 Protección de estructuras y edificios, sistema Franklin ................................ 49 3.4.3 Sistema tipo jaula de Faraday ...................................................................... 53 Supresores de sobrevoltajes transitorios ............................................................ 54 3.5.1 Introducción ................................................................................................ 54 3.5.2 Principio de operación de los supresores ..................................................... 55 3.5.3 Clasificación de supresores de sobrevoltajes transitorios de acuerdo a la conexión con la carga. .............................................................................................. 55 3.5.4 Categorías de ubicación. .............................................................................. 57 3.5.5 Transitorios de modo común y de modo diferencial ..................................... 58 3.5.6 Instalación de los supresores de sobrevoltajes transitorios ........................... 59 Puesta a Tierra .................................................................................................. 60 3.6.1 Condiciones de dimensionamiento .............................................................. 60 3.6.2 Puesta a tierra de servicio y seguridad ......................................................... 60 CAPÍTULO 4: Diagrama unifilar y protecciones ..................................... 62 4.1 Diagrama unifilar ....................................................................................................... 62 4.2 Calibres y conduits ............................................................................................ 66 4.3 Pararrayos ......................................................................................................... 67 4.4 Protección contra sobrevoltajes ......................................................................... 69 CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones ...................................... 70 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 72 APÉNDICE A .............................................................................................. 74 ANEXOS ...................................................................................................... 79 vi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Pico de voltaje ............................................................................. 6 Figura 2.2. Depresión de Voltaje .................................................................. 7 Figura 2.3. Dilatación de Voltaje. ................................................................. 8 Figura 2.4. Sobrevoltaje. ............................................................................... 8 Figura 2.5. Parpadeo. .................................................................................... 9 Figura 2.6. Interrupción de energía. .......................................................... 10 Figura 2.7. Ruido eléctrico. ......................................................................... 11 Figura 2.8. Distorsión armónica ................................................................. 11 Figura 2.10 Descomposición de la corriente original en sus armónicas ... 17 Figura 2.11 Voltaje y corriente de un básico de una fuente de poder típica de un ............................................................................................................. 18 Figura 2.12 Corrientes armónicas en el neutro de un sistema trifásico balanceado. .................................................................................................. 20 Figura 3.1 Método de las esfera rodante .................................................... 50 Figura 3.2 Método de las esfera rodante .................................................... 58 Figura 4.1. Distribución física de los tableros ............................................ 64 Figura 4.2. Diagrama unifilar ..................................................................... 64 vii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1 Requisitos mínimos de los materiales clase I y clase II ............. 49 Tabla A-13 ................................................................................................... 78 viii RESUMEN El presente trabajo, detalla paso a paso la forma en que se debe proceder para llevar a cabo el diseño del diagrama unifilar, así como de las protecciones y el sistema de aterriza miento de una clínica de Rayos X. Para llevar a cabo dichos objetivos, se procede a elaborar una investigación, acerca de la elaboración de un diagrama unifilar, así como estudiar en el NEC las normas de seguridad que se exigen en este campo, y para las cargas generales, se elabora del mismo modo un estudio con respecto al tipo de cargas existentes, y el tipos de fallos que pueden ocasionar daños a dichas cargas. También el presente trabajo, contiene un análisis de los tipos de protecciones que existentes que se utilizan en caso de descargas atmosféricas, también contiene técnicas utilizadas para calcular las dimensiones de dicha protección, dependiendo del tipo que se desee utilizar. ix CAPÍTULO 1: Introducción Las clínicas de rayos X son edificios o partes de una edificación cuya función principal es albergar equipos especializados que se utilizaran como medio de ayuda para efectuar diagnósticos a pacientes que así lo requieran, en la actualidad estas clínicas son de especial importancia; ya que con la ayuda de estos equipos se facilita el poder brindarle a las personas un diagnostico rápido y confiable. Debido a lo anterior, los centros de salud deben garantizarse que sus clínicas de rayos X, no sean afectadas por ninguna situación que pongan en peligro las operaciones del centro, tales como; interrupciones eléctricas, incendios, fenómenos naturales, etc. Es durante la etapa de diseño que se deben tomar las medidas necesarias para eliminar o minimizar los efectos de tales situaciones, también en esta etapa se debe buscar la forma para que la clínica tenga el ambiente óptimo para los equipos electrónicos y para el personal, además de proveer mecanismos de seguridad para ambos. Para tomar en cuenta los aspectos anteriores, este trabajo dividió el diseño de la clínica en tres partes, estos son: la ubicación de equipos, el sistema de iluminación y el de distribución de energía. Esta forma de trabajar se aplicará para el rediseño del edificio amarillo del complejo INS salud. Con este proyecto se pretende mejorar el diseño eléctrico del edificio amarillo, así como poner al día con las normas de seguridad eléctrica que rigen actualmente para este tipo de edificaciones. 1 1.1 Objetivos 1.1.1 Objetivo general Diseñar el sistema de distribución eléctrica principal del edificio amarillo. 1.1.2 Objetivos específicos Rediseñar el diagrama unifilar eléctrico. Rediseñar los circuitos para equipo sensitivo. Diseñar las protecciones contra sobrevoltajes. Rediseñar el sistema contra pararrayos. 2 1.2 Metodología Para realizar el diseño eléctrico del edificio amarillo del complejo INS salud, lo primero que hay que hacer es investigar sobre las precauciones que se deben tomar en cuenta a la hora de elaborar el diseño de una clínica de rayos X, las normas vigentes para dicho fin, estudiarlas y sustraer la información que sea necesaria. Estas normas incluyen el NEC, la norma 602 de la IEEE, guías y recomendaciones de los fabricantes, además de libros que traten el tema. Realizar un estudio de las condiciones actuales del edificio que incluya, potencia, cantidad de aires acondicionados, ubicación y cantidad de equipo sensitivo, planos eléctricos y situación del sistema contra incendios. Realizar un levantamiento de cargas críticas que hay en el edificio, además de realizar una investigación sobre las posibles cargas futuras. Con la información recopilada en los puntos anteriores se precederá a realizar el rediseño del sistema eléctrico de los circuitos que lo necesiten. Y al resto de las secciones de la edificación, que requieran un cambio sustancial en la estructura eléctrica se realizara un nuevo diseño si se considera necesario. 3 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico 2.1 Calidad de energía 2.1.1 Aspectos sobre la calidad de la energía El término "calidad de energía eléctrica" se emplea para describir la variación de la tensión, corriente, y frecuencia en el sistema eléctrico. Este concepto ha sido de mayor importancia debido al incremento del número de cargas sensibles en los sistemas eléctricos, las cuales, por sí solas resultan ser una causa de degradación en la calidad de la energía eléctrica. Históricamente, la mayoría de los equipos son capaces de operar satisfactoriamente con variaciones relativamente amplias de estos tres parámetros. Sin embargo, en los últimos diez años se han agregado al sistema eléctrico un elevado número de equipos, no tan tolerantes a estas variaciones, incluyendo a los controlados electrónicos. Los disturbios en el sistema eléctrico, que se han considerado normales durante muchos años, ahora pueden causar desordenes en los dispositivos modernos. Por lo que deben tomarse en cuenta medidas para desarrollar un sistema eléctrico confiable. Es importante darse cuenta de que existen otras fuentes de disturbios que no están asociadas con el suministro eléctrico de entrada. Estas pueden incluir descargas electrostáticas, interferencia electromagnética radiada, y errores de operadores. Adicionalmente, los factores mecánicos y ambientales juegan un papel en los disturbios del sistema. Estos pueden incluir temperatura, vibración excesiva y conexiones flojas. Debido a la importancia que representa la energía eléctrica en nuestra vida, la cual es usada en la 4 iluminación, en la operación de diversos equipos, vídeo, aire acondicionado y sistemas de cómputo, así como en procesos industriales como de servicio, es importante contar con una buena calidad de energía. Por ejemplo, las depresiones de voltaje por sólo cinco milisegundos son capaces de hacer que una computadora pierda su información o causar errores, es por esto que el incremento en el equipo de procesamiento de datos ha marcado al problema de la calidad de la energía como un problema muy serio. Los disturbios no sólo afectan al equipo de los consumidores, sino que también perjudica la operación de la red de suministro. Los disturbios mencionados causan problemas como los que se citan a continuación: a) Operación incorrecta de controles remotos. b) Sobrecalentamiento de cables. c) Incremento de las pérdidas reactivas de los transformadores y motores. d) Errores en medición. e) Operación incorrecta de sistemas de protección. Debido a estos problemas, algún componente de cualquier equipo puede sufrir un daño considerable al presentarse algún transitorio que rebase su nivel de aislamiento. El objetivo de la calidad de la energía es encontrar caminos efectivos para corregir los disturbios y variaciones de voltaje en el lado del usuario, y proponer soluciones para corregir las fallas que se presentan en el lado del sistema de las compañías suministradoras de energía eléctrica, para lograr con ello un suministro de energía eléctrica con calidad. 5 2.1.2 Terminología para la descripción de disturbios Entre los fenómenos que afectan la calidad de la energía se encuentra los que se detallan en este apartado. 2.1.2.1 Transitorios (impulsos/picos): Es un incremento superpuesto en la onda de CA en el nivel de voltaje o corriente que dura microsegundos. Debido principalmente por fallas en la red eléctrica, conmutación en la compañía eléctrica, descargas atmosféricas (rayos), arco causado por una soldadora, apertura o cierre de un contactor o switch de grandes cargas como el arranque de equipo industrial pesado. Figura 2.1. Pico de voltaje Este tipo de perturbación puede generar fallas o daños al equipo, bloqueo del sistema, corrupción/pérdida de datos y fatiga de componentes que pueden causar fallas. Algunas de las soluciones que se pueden tomar para prever este efecto son: Supresor TVSS, Transformadores de aislamiento y UPS. 6 2.1.2.2 Depresión de voltaje (“sags”) Es un decremento momentáneo (varios ciclos de duración) en el nivel de voltaje. Es debido a la conexión de grandes cargas, descargas atmosféricas y fallas en la red eléctrica. Además de las caídas de voltaje por corta duración se pueden dar caídas de voltaje durante periodos largos de tiempo hasta varias horas, causados por la alta demanda en la red eléctrica o por estar situado al final de la red de distribución Figura 2.2. Depresión de Voltaje Algunos efectos de este fenómeno son: Falla de sistemas, falla ocasional de los equipos, reducción en la eficiencia y vida útil de los equipos eléctricos, especialmente de motores. Para contrarrestar esta perturbación se pueden colocar reguladores de voltaje, estabilizadores UPS o suministros de CC. 2.1.2.3 Dilatación de voltaje (“swell”) Es un incremento del voltaje de varios ciclos de duración. Es ocasionado por la desconexión de cargas grandes y no llega a ser un sobrevoltaje. 7 Figura 2.3. Dilatación de Voltaje. 2.1.2.4 Sobrevoltaje Es una condición de voltaje elevado (arriba del valor nominal) que a diferencia del swell de voltaje, dura mucho más tiempo. Es causado por una pobre regulación de voltaje, apagado de cargas grandes (motores, aire acondicionado, entre otros.) o por la compañía eléctrica dejando caer la carga. Figura 2.4. Sobrevoltaje. Algunos efectos de este fenómeno son: Daño permanente a equipos y demás artículos eléctricos. Para contrarrestar esta perturbación se pueden colocar reguladores de voltaje, estabilizadores UPS. 8 2.1.2.5 Parpadeo (“flickers”) Se refiere a las fluctuaciones en el nivel de voltaje. Estas son debidas a la conexión de cargas cíclicas como hornos eléctricos o por oscilaciones subarmónicas (subarmónicas se refiere a señales de frecuencia menor a la fundamental). Por lo general este efecto se observa fácilmente en el cambio de intensidad bajo y alto de lámparas y ruido acelerado y desacelerado de motores. Figura 2.5. Parpadeo. 2.1.2.6 Interrupciones de energía Es la pérdida total de potencia. Por lo general se considera interrupción cuando el voltaje ha decrecido a un 15 % del valor nominal o menos. Este es debido a aperturas de líneas, daño de transformadores, operación de fusibles o equipos de protección de la red, entre otras posibilidades. También se consideran interrupciones de energía aquellas que duran milisegundos. 9 Figura 2.6. Interrupción de energía. Algunos efectos son: Parada de equipos, pérdida de datos, retrasos de producción, ciclos de arranque largos y problemas de seguridad (pérdida de iluminación, alarmas). Para evitar estos inconvenientes se recomienda colocar estabilizadores UPS. 2.1.2.7 Ruido eléctrico Es la distorsión (no necesariamente periódica) de la forma de onda del voltaje o corriente. Este es debido a “switcheo”, transmisores de radio y equipo industrial de arco eléctrico, además de equipo con puesta a tierra inadecuada. El ruido eléctrico conlleva a errores de software y bloqueo de un sistema computacional, se puede contrarrestar con un transformador de aislamiento, estabilizador UPS o supresor TVSS/filtro. 10 Figura 2.7. Ruido eléctrico. 2.1.2.8 Distorsión armónica Es la distorsión (periódica) de la forma de onda senoidal del voltaje o corriente. Esta es causada por la operación de equipos no lineales como los rectificadores. Este es un fenómeno en estado estable. Figura 2.8. Distorsión armónica Como se puede observar uno de los problemas más conocidos y que producen una gran cantidad de problemas por el efecto que produce son las armónicas; como por ejemplo: alta corriente en el conductor neutro, transformadores sobrecalentados, distorsión de voltaje, cortocircuito y pérdida de capacidad del sistema. Soluciones para repeler las armónicas: estabilizador UPS, reactor de línea, filtros activos, transformadores ferrorresonantes. 11 2.1.3 Tipos de carga Antes de analizar los medios utilizados actualmente para mejorar la calidad de la energía que consumimos, es importante dejar claro el tipo de cargas que existen, de entre las cuales destacan: 2.1.3.1 Carga crítica Aquella que al dejar de funcionar o al funcionar inapropiadamente pone en peligro la seguridad del personal y/o ocasiona grandes perjuicios económicos. Por ejemplo, un paro no programado en un molino de laminación es muy costoso, mientras que la pérdida de un centro de información en un banco o el mal funcionamiento de los sistemas de diagnóstico en un hospital puede ser catastrófica. 2.1.3.2 Carga sensible Aquella que requiere de un suministro de alta calidad, esto es, libre de disturbios El equipo electrónico es más susceptible a los disturbios que el equipo electromecánico tradicional. 2.1.4 Formas de mejorar la calidad de la energía Mejorar la calidad de la energía es una de las consideraciones más importantes a la hora de abastecer un sistema eléctrico y existen formas de mejorarlos. 12 2.1.4.1 Puesta a tierra. La denominación “Puesta a Tierra” comprende cualquier unión metálica directa, sin fusible ni protección alguna, de sección suficiente, entre una parte de una instalación y un electrodo o placa metálica enterrado en el suelo, de dimensiones y situación tales que, en todo momento, pueda asegurarse que el conjunto está prácticamente al mismo potencial de la tierra. Resuelve problemas como: ruido e impulsos en modo común provenientes de otros equipos en el sistema de puesta a tierra. 2.1.4.2 Supresor de sobrevoltaje transitorio. Dispositivo que bloquea el voltaje en un nivel seguro durante un impulso. Resuelve problemas como: Impulsos y rayos. 2.1.4.3 Transformador de voltaje constante (ferrorresonante) Transformador diseñado con regulación de voltaje inherente. Resuelve problemas como: impulsos, ruido, sobrevoltajes, caídas momentáneas, reducciones planificadas y armónicas. 2.1.4.4 Suministro eléctrico ininterrumpible (UPS) Es un dispositivo que posee una batería para dar respaldo durante una interrupción del suministro. Resuelve problemas como: interrupciones del suministro (limitado a la duración de la batería). Impulsos, ruido, sobrevoltajes, caídas momentáneas, reducciones planificadas y armónicos (dependiendo de la tecnología UPS). 13 2.2 Distorsión Armónica La distorsión de formas de onda de corrientes y voltaje debida a las armónicas es uno de los fenómenos que afectan la confiabilidad del sistema y por lo tanto la calidad de la energía. Este problema no es nuevo, sin embargo, debido al notable incremento de cargas no lineales conectadas al sistema eléctrico, el nivel promedio de armónicas en el sistema eléctrico de potencia se incrementa cada día más. Por lo que el modelado de los elementos del sistema de potencia ante señales armónicas cada vez es más importante. 2.2.1 Fundamentos 2.2.1.1 Consumos lineales. El consumo lineal en una instalación eléctrica se presenta cuando se consta solo de elementos lineales en el sistema, como por ejemplo: un sistema constituido por resistencias, inductancias y condensadores de valores fijos. En estos casos si el voltaje es sinusoidal la corriente también lo es y, en general, existe un desfase entre ellos. 2.2.1.2 Consumos no lineales. La electrónica de potencia puso a disposición del mercado diversos equipos capaces de controlar el producto final: iluminación variable, velocidad ajustable, etc. Así, aproximadamente un 50% de la energía eléctrica pasa por un dispositivo de electrónica de 14 potencia antes que ésta sea finalmente aprovechada. La electrónica de potencia hace uso de diodos, transistores y tiristores, y prácticamente todos ellos trabajan en el modo de interrupción («switching»). Esto significa que trabajan esencialmente en 2 estados: a) Estado de conducción. Corresponde a un interruptor cerrado. La corriente por el dispositivo puede alcanzar valores elevados, pero el voltaje es nulo y, por tanto, la disipación de potencia en él es muy pequeña. b) Estado de bloqueo. Corresponde a un interruptor abierto. La corriente por el dispositivo es muy pequeña y el voltaje es elevado; así, la disipación de potencia en el dispositivo es también pequeña en este estado. Cuando se tienen este tipo de dispositivos electrónicos el consumo de energia tiene corrientes no sinusoidales y se habla de distorsión armónica y de consumos no-lineales. 2.2.2 Descomposición de una señal de voltaje o corriente en componentes armónicos 2.2.2.1 Planteamiento general. La corriente o el voltaje no sinusoidal se puede expresar mediante la sumatoria de diversas componentes llamadas armónicas. V (t ) Vm1 cos(t v1 ) Vm2 cos(t v 2 ) ....... Vmn cos(t vn ) (1) I (t ) I m1 cos(t v1 ) I m2 cos(t v 2 ) ....... I mn cos(t vn ) (2) 15 Cada armónica tiene su fase y su amplitud; pero en general, las armónicas de orden par son nulas debido a que los dispositivos actúan en forma simétrica y periódica. Las armónicas de orden elevado son pequeñas, fundamentalmente debido a que las variaciones son suavizadas por la presencia de inductancias en el sistema. La presencia de armónicas pares es síntoma de que el control de los semiconductores está desajustado y la presencia de armónicas elevadas puede ser indicio de variaciones bruscas de voltaje o corriente que pueden conducir a un deterioro del equipo. La Figura 2.10 muestra gráficamente como se construye una onda a partir de sus armónicas y así formar la corriente real en la misma figura. En este caso, sólo con la fundamental y las armónicas 3 y 5 el resultado es bastante adecuado. 16 Figura 2.10 Descomposición de la corriente original en sus armónicas Un ejemplo muy común de dispositivos que presentan comportamientos de consumo no lineal son los rectificadores en las computadoras; la computadoras son usadas hoy en día pera una infinidad de actividades, por tanto, las armónicas que inyectan al sistema eléctrico son un punto importante a considerar en el diseño eléctrico. La razón por la cual su consumo es no lineal se relaciona con el empleo de un circuito de rectificación o fuente de poder de alimentación. La Figura 2.11 muestra un diagrama básico 17 de este circuito y la forma de onda de la corriente que se genera. Por lo tanto todos los computadores tienen un consumo de corriente pulsante, generando armónicas en el sistema. Figura 2.11 Voltaje y corriente de un básico de una fuente de poder típica de un computador y de una gran variedad de equipos electrónicos. 2.2.2.2 Efecto armónico en un sistema trifásico. Un sistema trifásico está constituido por tres voltajes de igual amplitud, pero desfasados en 120°: VAN Vm1 cos(t v1 ) (3) VBN Vm1 cos(t v1 ) (4) VCN Vm1 cos(t v1 ) (5) Si suponemos que, conectado a la fase A se tiene un consumo no-lineal: i A I m1 cos(t i1 ) I m3 cos(t i 3 ) ....... 18 (6) Si en la fase B se tiene conectado un consumo idéntico, la corriente será idéntica pero desplazada en 120°: iB I m1 cos(t i1 120) I m3 cos(t i 3 120) ....... (7) Así, en cada fase, se tendrá los mismos pulsos pero corridos en 120°. Analíticamente se obtiene que la armónica 3 se desplaza en 3 veces 120° (o sea 360°) mientras la fundamental sólo en 120°. Análogamente, la armónica 5 se desplaza en 5 veces 120° y así sucesivamente. Las corrientes por el conductor de neutro son: i N i A iB iC (8) El resultado, gráficamente, se muestra en la Figura 2.12 en la que se observa que, prácticamente, la corriente de neutro es de armónica 3. Analíticamente: iB I m1 cos(t i1 ) I m3 cos(t i1 120) ..... (9) Al sumar las corrientes desplazadas en 120 grados el resultado es nulo; las que quedan desplazadas en 360° no se anulan: se suman. De este modo: I N 3I m3 cos(3t i 3 ) 3I m9 cos(9t i 9 ) ..... (10) Es decir, bajo la hipótesis de un sistema con idéntico consumo no-lineal en las tres fases, circula una corriente por el neutro igual a 3 veces la corriente de armónica 3 que circula por una fase. Esto significa que si un consumo está constituido sólo por computadores y dispositivos no lineales, la corriente por el neutro será superior a la corriente de fase y éste deberá dimensionarse tomando en consideración lo anterior. 19 El resultado es que la corriente de neutro resulta igual a 1,73 veces la corriente de fase, situación que, si no es prevista en el diseño producirá problemas, ya que normalmente el conductor de neutro no tiene protección de sobrecarga. Figura 2.12 Corrientes armónicas en el neutro de un sistema trifásico balanceado. 2.2.3 Efectos de la distorsión armónica Transformador: Sobrecalentamiento si el factor K es elevado (superior a 2,7) y la carga es superior al 90% de la nominal. Condensadores: Los condensadores (de compensación de factor de potencia, de iluminación, por ejemplo) se queman si la corriente por ellos es más que 1,3 veces su corriente nominal. 20 Motores de inducción: Sobrecalentamiento y vibraciones excesivas si la distorsión de tensión es superior al 5%. Cables de conexión: Sobrecalentamiento si el valor efectivo de la corriente (medido con un instrumento trae rms) es superior al que soporta el cable. Equipos de computación: Pérdidas de algunos datos y daños en algunas componentes electrónicas debido a que el voltaje máximo es superior al nominal o a que existe un diferencial de voltaje entre neutro y tierra. 2.2.4 Medidas de Mejoramiento de instalaciones eléctricas contaminadas por armónicas • Dimensionamiento de conductores considerando armónicas. • Disminución de las corrientes por el neutro mediante balance de cargas. • Disminución de las corrientes armónicas mediante filtros y transformadores de aislación. Tableros separados para equipos sensibles. • Sustitución por condensadores antiresonantes. • Mejoramiento de los equipos (exigencia a los fabricantes de de ubicar filtros de línea o reactancias serie). • Transformadores de aislación 21 2.3 Radiología 2.3.1 Introducción Equipos de radiología se refiere a una amplia gama de sistemas de diagnóstico y de exploración. Lo que comenzó como un proceso de exposición a las radiaciones sencillas utilizando rayos x es ahora una industria basada en computadoras. Los usos de equipos de radiología son muchas, desde las simples para localizar los huesos rotos hasta las más complicadas. Del mismo modo, como el número de unidades diferentes ha crecido se requiere un estudio detallado en cada caso, no sólo de los equipos específicos, sino también la especificación del sistema eléctrico de distribución de energía. 2.3.2 Teoría sobre los Rayos X 2.3.2.1 Los rayos X y su producción El termino radiografía se trata de una fotográfica visible de rayos X producida por el paso de los rayos X a través de un objeto o cuerpo y luego grabado en una película especial. 2.3.2.2 ¿Qué son los rayos x, y cómo se comportan? Tienen dos formas de comportarse como rayos y como partículas. Un rayo puede ser definido como de energía luminosa o radiante. Luz o energía radiante viaja como un movimiento ondulatorio y por lo tanto una característica mensurable es su longitud de onda. La luz, las ondas de radio, rayos X, etcétera, son ondas de energía de influencia eléctrica y magnética. Todas estas formas de radiación electromagnética se agrupan de acuerdo a sus longitudes de onda en lo que se denomina el espectro electromagnético. 22 Los rayos X también actúan como si consistieran en pequeños paquetes independientes de energía llamadas cuantos o fotones. En determinadas circunstancias, la acción de un haz de rayos X se puede entender mejor si no se considera como una sucesión de olas, sino más bien como una lluvia de partículas. En cambio, el aspecto que es más evidente depende de la forma en que se utiliza la radiación, o en el método que se utiliza para detectar o grabarla. Las dos naturalezas de los rayos X son inseparables. Por ejemplo, para conocer la energía de un cuanto individual, es necesario conocer la longitud de onda de la radiación. Pero la longitud de onda es una característica de las olas y debe determinarse a partir de una consideración de la naturaleza ondulatoria de la radiación. Fundamentalmente, los rayos X obedecen todas las leyes de la luz, pero entre sus propiedades especiales hay algunas que son de interés para el técnico en rayos X, de la siguiente manera: a) Su longitud de onda extremadamente corta les permite penetrar materiales que absorben la luz visible. b) Provocan determinadas sustancias para fluorescencia, es decir, que emiten radiación en longitudes de onda más larga, es decir, la radiación visible y ultravioleta. c) Afectan una película fotográfica, una prueba que hace visible el desarrollo. d) Se producen cambios biológicos, lo que permite su uso en terapia, pero también requiere precaución en el uso de la radiación X. 23 2.3.2.3 El tubo de rayos X Los rayos X son creados cuando los electrones con movimiento rápido chocan con la materia en cualquier forma, con el resultado de la radiación X. El medio más eficiente de generar los rayos X es un tubo de rayos X. Este es un dispositivo electrónico que es considerablemente más grande, pero en realidad menos intrincado que los tubos electrónicos en un radio. En un tubo de rayos X, los rayos X son producidos por la dirección de una corriente de electrones a gran velocidad contra un blanco de metal. La mayor parte de su energía se transforma en calor, pero una pequeña proporción (alrededor del 1%) se transforma en rayos-X. Cuando un potencial muy elevado (miles de voltios) se aplica los dos componentes del tubo (el cátodo y el ánodo) de rayos X, los electrones disponibles son atraídos hacia el ánodo, de tal forma que golpea el punto focal con una fuerza tremenda. Cuanto mayor es el potencial (voltaje) mayor será la velocidad de estos electrones. Esto da lugar a rayos X que son de menor longitud de onda y mayor poder de penetración e intensidad. El punto focal es el área que es bombardeada por los electrones del cátodo. La forma y el tamaño de la copa de enfoque del cátodo, la longitud y el diámetro de la bobina (filamento), y las dimensiones de la copa, centrándose en el que descansa toda la bobina, determinan el tamaño y la forma de la mancha focal (donde actuarán los rayos x). Así los rayos X son generados por el impacto de los electrones. Para la utilización de los tubos de rayos X los fabricantes proporcionan tablas con todo tipo de tubos de rayos X, para indicar los límites de los factores de operación segura, como el máximo de kilovoltaje, miliamperage, y el tiempo que se puede utilizar para una sola exposición. 24 2.3.2.4 Operación del tubo de rayos X El material eléctrico que permite el control y funcionamiento consiste en una serie de componentes básicos: a) Un transformador de alto voltaje b) Un autotransformador c) Un rectificador d) Una fuente de alimentación para el filamento del tubo de rayos X e) Una bobina de choque para adaptar la demanda actual al filamento Los circuitos de la participación del tubo de rayos X, rectificador y el transformador de alta tensión están organizadas de manera que el alto voltaje positivo se aplica en el ánodo del tubo, con la tensión alta negativa aplicada en el cátodo. Los electrones desde el cátodo que calientan el filamento son cargas negativas y por lo tanto son atraídos con gran fuerza hacia el ánodo positivo. Esta alta tensión se expresa habitualmente en términos de kilovatios pico. Es bueno entender que kilovoltaje no tiene nada que ver con la forma de electrones que componen la corriente que fluye del cátodo al ánodo. El kilovoltaje controla la velocidad de cada electrón, que a su vez tiene efectos muy importantes sobre los rayos X producidos en el punto focal. El número de electrones es controlado por la temperatura (el grado de incandescencia) del filamento cátodo. Este control se logra mediante el ajuste de la corriente a través del filamento y su propio circuito eléctrico de baja tensión. En el tubo de rayos X se mide el número de electrones por segundo que fluyen en miliamperios. La cantidad de rayos X producidos en un kilovoltaje particular depende de 25 este número. La fijación de la máquina de rayos x para un miliamperage especifico realmente significa ajustar la temperatura del filamente para producir la corriente que fluye. 2.3.2.5 El haz de rayos X y la formación de imágenes ¿Qué sucede cuando el haz de rayos X deja el punto focal? Un alto voltaje se aplica al tubo de rayos X para producir rayos-X. El material eléctrico es tal que el kilovoltaje se puede cambiar en un rango bastante amplio, por lo general 30-100 kV o más. Cuando el margen inferior del kilovoltages se utiliza, los rayos X tienen una longitud de onda y son fáciles de absorber. Ellos se denominan rayos X blandos. La radiación producida en el rango de kilovoltaje mayor tiene mayor energía y una menor longitud de onda. Estos rayos X son mucho más penetrante y se llaman fuertes. Debe entenderse que el haz de rayos X se compone de rayos de diferentes longitudes de onda y poder de penetración. 2.3.2.6 Absorción de rayos X En la lista de las propiedades importantes de los rayos X, se observó que son capaces de penetrar en la materia. Esa generalidad debe ser limitada, porque no todos los rayos X que entran en un objeto penetran en el. Algunos son absorbidos. Estos son los que consiguen llegar a formar la imagen, o la sombra. La medida en que los rayos X son absorbidos por un material depende de los siguientes tres factores: a) La longitud de onda de los rayos X 26 b) La composición del objeto en la trayectoria del haz de rayos X c) El espesor y la densidad del objeto La longitud de onda larga, los producidos a menor kilovoltages más fácil absorción. La longitud de onda corta, los producidos en el más alto kilovoltaje más penetrante. ¿De qué manera la composición del objeto influye en la absorción de rayos X? Esto depende del número atómico del material. Por ejemplo, una hoja de aluminio, por ser de menor número atómico que el cobre, absorbe una cantidad menor de rayos X que haría una lámina de cobre de la misma área y el peso. El plomo es un absorbente de gran cantidad de rayos-X. Por esta razón, se utiliza en el tubo de alojamiento y para los dispositivos de protección, por ejemplo, en las paredes de la sala de rayos X y en los guantes y delantales especiales. La relación de absorción de rayos X con el grosor es simple: un trozo grueso de cualquier material absorbe más la radiación X que un pedazo fino del mismo material. La densidad de un material tiene un efecto similar. Por ejemplo, una pulgada de agua absorbe más rayos X de una pulgada de hielo. 2.3.2.7 Factores que afectan la imagen La imagen puede verse afectada por tres factores: miliamperage, la distancia y kilovoltaje. a) Efecto del miliamperage. El aumento del miliamperage aumenta la cantidad de radiografías, y la disminución del miliamperage la disminuye. 27 b) Efecto de la distancia. Las intensidades de rayos X del patrón puede ser modificado de manera uniforme por uno completamente diferente, no eléctrico, con solo mover el tubo desde o hacia el objeto. En otras palabras, la distancia del tubo del objeto tiene un efecto sobre la intensidad de la imagen. Por lo tanto, como la distancia del objeto a la fuente de radiación se reduce, la intensidad de rayos X en el objeto aumenta. Un cambio en la distancia es muy similar a un cambio en miliamperage en su efecto sobre la intensidad global de la imagen. c) Efectos de kilovoltaje. Un cambio en el kilovoltaje causa una serie de efectos. El principal a considerar es el hecho de que un cambio de kilovoltaje resulta en un cambio en el poder de penetración de los rayos-X. El objetivo de la radiografía es obtener una imagen lo más exacta posible. Dos factores que contribuyen a esta precisión son la nitidez y el tamaño de la sombra. Cuanto menor sea la fuente de radiación (punto focal) y cuanto más cerca del objeto con el plano de control (pelicula), más nítida y más precisa de la imagen. Por el contrario, cuanto mayor sea la fuente de radiación y cuanto más el objeto alejado este el objeto de la película, mayor es la falta de nitidez y magnificación. 2.3.2.8 Aparatos de generación de rayos X Los dispositivos principales para la generación de rayo X, aparte del tubo de rayos X, son un autotransformador, un transformador de alto voltaje, un circuito de válvulas y tubos rectificadores (cuando sea necesario), y un transformador de baja tensión para el filamento del Tubo de rayos x. 28 a) Transformador. Un transformador es un dispositivo que se utiliza para transferir energía eléctrica de corriente alterna de un circuito a otro y de un nivel de voltaje a otro. En la forma más simple consiste en dos bobinas de alambre aislado enrollado en un núcleo de hierro sin tener ninguna conexión eléctrica entre ellos. La bobina conectada a la fuente de poder se llama el bobinado primario, y otro el secundario. El voltaje es inducido en el secundario cuando se aplica energía a la primaria. Las tensiones en las dos bobinas son directamente proporcionales al número de vueltas del alambre en cada uno, en una eficiencia teórica del 100%. Por ejemplo, si el primario tiene relativamente pocas vueltas, digamos 100, y la secundaria tiene muchas, por ejemplo 100 000, la tensión en el secundario es 1000 veces mayor que en las primarias. Como la tensión aumenta, este tipo de transformador que se llama un transformador elevador. Al mismo tiempo, la corriente en las bobinas se encuentra disminuida en la misma proporción que la tensión aumenta. En el ejemplo dado, la corriente en el secundario es sólo 1 / 1000 de que en las primarias. Un transformador de este tipo se utiliza para suministrar la alta tensión en el tubo de rayos X. b) Acción de corriente alterna. El voltaje se puede describir en forma de un gráfico que representa la acción de un voltímetro imaginario conectado a las terminales del transformador. Cuando se utilizan 60 ciclos de corriente alterna, la aguja del voltímetro sería pasar de cero a un máximo y de vuelta a cero de nuevo en 1 / 120 s. Para los propósitos de rayos X, la tensión del tubo es casi siempre expresada en términos del valor pico. El tubo de rayos X recibe una serie de pulsos de tensión, uno para cada pico útil, y produce por lo tanto los rayos X en pulsos. 29 c) Autotransformador. La tensión de la línea habitual de los equipos suministrados de rayos X es de 220 VAC. Las técnicas de rayos x, sin embargo, requieren una amplia variedad de kilovoltages. Por lo tanto, la tensión de línea se ajusta por un tipo especial de transformador -un autotransformador- el primario del transformador de alta tensión tiene una variable predeterminada de suministro. El resultado entonces, es que la alta tensión en el tubo de rayos X puede ser preseleccionado en el autotransformador antes que la exposición de rayos X se realice. El dispositivo se llama un autotransformador, porque el primario y secundario se combinan en un devanado. d) Transformador de baja tensión para el filamento. Algunos medios que se les deben suministrar las necesidades no sólo a la luz del filamento del tubo de rayos x, sino a controlar el grado de incandescencia. Los requisitos para ello son un pocos amperios a 4-12 V, que son proporcionados por un transformador de bajada o de baja tensión. El secundario del transformador de bajada está muy aislado del primario y el núcleo de hierro de modo que la alta tensión en el tubo de rayos X no vuelve a las líneas de alimentación de la máquina de rayos X. e) Siguiendo el circuito generador. Hay una serie de dispositivos auxiliares que van a completar la generación del aparato de rayos X, tales como los medidores, fusibles y disyuntores. Los fusibles se colocan en la línea de entrada como en todos los aparatos eléctricos. La corriente pasa a través del interruptor al autotransformador. Un compensador de voltaje de línea a 3A puede ser ajustado para que el voltaje de entrada aplicado al autotransformador 30 sea correcto. Una prelectura (ac) del voltímetro en el circuito de autotransformador indica la tensión aplicada al primario del transformador de alto voltaje a través del control variable. Un interruptor de circuito (breaker) actúa cuando el transformador de alto voltaje está sobrecargado. Un interruptor con temporizador automático se cierra para hacer la exposición de rayos X. La corriente del tubo de rayos x en alta tensión es indicada por los mA. El transformador de baja tensión para el filamento del tubo de rayos x se suministra desde una posición fija en el autotransformador. Un amperímetro permite el ajuste correcto del control de voltaje para el transformador del filamento. El secundario del transformador del filamento está conectado directamente al filamento del tubo en el cátodo del tubo de rayos X. Los terminales del secundario del transformador de alta tensión están conectados de varias maneras para el tubo de rayos X, según el método de rectificación. Los modernos equipos se fabricarán de manera que todas las partes expuestas a la alta tensión son especialmente aisladas. Esto incluye el transformador de alto voltaje, el sistema rectificador, la válvula del tubo de rayos X y el transformador del filamento del tubo, los cables y el tubo de rayos X. f) Requisitos de alimentación. Las máquinas de rayos X producen cargas momentáneas de un alto factor de poder 20-160 kVA. La carga momentánea por lo general tiene una duración de menos de 2 s, pero las exposiciones de 6s o 7s no son infrecuentes. Con el fin de realizar de manera adecuada, las máquinas de rayos x funcionan dentro de un rango de voltaje determinado, que a veces se llama el período de línea de tensión absoluta. Dentro de este rango, la regulación de tensión no puede superar un determinado valor (por 31 lo general en el rango 3-10%). Una unidad típica 95 kVA (480 V nominal) tendrá un requisito de tensión de estado estable de entre 360V a 507V. Durante la exposición de rayos X, la tensión no debe disminuir más de 6%, y en nunca puede ser inferior a 360 V. Algunas máquinas de rayos x usan relés de mínima tensión que automáticamente cortan si se presentan cambios de voltaje fuera de la tolerancia prescrita. En otros casos, la unidad de rayos x puede permanecer en línea, pero el rendimiento a exposiciones es de mala calidad. Los fabricantes de rayos x normalmente se especifican los tamaños mínimos de los incrementos de alimentación y el periodo de duración. También se especificarán los tamaños mínimos del transformador y la impedancia mínima del circuito. Debido al factor de alta potencia (por lo general alrededor del 95%), las máquinas de rayos x no crean grandes caídas de voltaje a través de reactancias inductivas tales como transformadores y devanados del generador. Sin embargo, la resistencia del circuito de alimentación se hará cargo en gran medida de la caída de tensión total. Debido al alto factor de potencia, el generador de cargas pesadas crea requerimientos de energía real en los generadores de reserva. Debido a los requisitos de alta potencia real para máquinas de rayos x, la exposición de rayos X puede ocasionar la disminución de los generadores de reserva, la reducción de la frecuencia de la alimentación. La reducción de la frecuencia puede ser un problema para los generadores de rayos X, debido a que algunas unidades operan en un principio de resonancia. Sofisticadas máquinas de rayos X, como la tomografía asistida por computadoras (CT), escáneres y equipos de procedimientos especiales con microprocesadores, puede requerir 32 un supresor de sobretensiones o acondicionadores de otro tipo. Sin embargo, siempre se debe consultar con el proveedor antes de aplicar un acondicionador de potencia. g) La distribución de potencia y puesta a tierra del equipo de radiografía 1) Capacidad del sistema (caídas de voltaje) 2) Impedancia del Sistema. El factor limitante para la mayoría de los equipos radiológicos es la impedancia del sistema de abastecimiento, no la capacidad actual. Las unidades radiológicas no obtienen su aprobación de la gestión corriente normal durante largos períodos. Una impedancia de fuente de alimentación demasiada alta tendrá una pérdida I2R (la pérdida de calor) en el sistema, lo cual reducirá la tensión de alimentación durante el disparo en el tubo. h) Consideraciones para tomografía asistida por computadoras - alta velocidad 1) Energía de distribución y puesta a tierra 2) Transitorios y duraciones aceptables 3) Variaciones de la fuente de línea 4) Poder de Emergencia 5) Energía acondicionada 6) Aire acondicionado i) Consideraciones para tomografía asistida por computadora - convencional 1) Distribución de energía y puesta a tierra 2) Transitorios y duraciones aceptables 3) Variaciones de la fuente de línea 4) Poder de Emergencia 33 5) Energía acondicionada 6) Aire acondicionado (mínimo) j) Escáner de imágenes por resonancia magnética 1) Distribución de energía y puesta a tierra 2) Transitorios y duraciones aceptables 3) Variaciones de la fuente de línea 4) Poder de Emergencia 5) Energía acondicionada 6) Aire acondicionado 7) Requisitos de ventilación. 8) Filtrado RF, protección, y guías de onda 9) Requerimientos de protección magnética 10) Consideraciones para la comodidad del paciente 11) Comunicación con el operador del escáner k) Escáner de tomografía por emisión de positrones 1) Distribución de energía y puesta a tierra 2) Transitorios y duraciones aceptables 3) Variaciones de la fuente de línea 4) Poder de Emergencia 5) Energía acondicionada 6) Aire acondicionado (mínimo) 34 2.4 Efectos de las descargas atmosféricas Los fenómenos de sobrevoltaje más frecuentes en instalaciones son originadas por fenómenos externos como son las descargas atmosféricas. Este tipo de fenómeno ocasiona salidas de operación frecuentes en las instalaciones que provocan interrupciones en el servicio, por lo que es importante el conocimiento cualitativo y cuantitativo de las descargas atmosféricas, a fin de proporcionar la protección más adecuada a la instalación. Existen tres tipos de sobrevoltaje: a-) Por carga estática. b-) Por descarga indirecta. c-) Por descarga directa. 2.4.1 Sobrevoltaje por carga estática Estos sobrevoltajes se presentan en las instalaciones y en particular en líneas de transmisión por el simple hecho de que existen nubes sobre estas, y que las nubes sean desplazadas por el viento; este caso es menos peligroso, ya que se disminuye considerablemente su efecto mediante el uso de hilos de guarda en la línea de transmisión y bayonetas e hilos de guarda en las subestaciones que se encuentran permanentemente conectadas a tierra, limitando los gradientes a través de los aislamientos a valores muy por debajo de su valor de ruptura. 2.4.2 Sobrevoltajes por descargas indirectas Se presentan en la instalación por la presencia de rayos que caen en puntos cercanos y que por efecto de inducción electroestática y electromagnética introducen transitorios en las instalaciones. Este tipo de voltaje es el más frecuente y puede ser grave dependiendo de la 35 intensidad de descarga, ya que de mediciones realizadas en el campo se sabe que los sobrevoltajes son del orden de 100 y hasta 200 kV con corrientes de 25 a 100 kA. Las descargas indirectas son las que más afectan a las instalaciones de medianas y bajas tensiones de orden de: 4.16, 13.8, 24.9, 34.5 kV. 2.4.3 Sobrevoltajes por descarga directa Este tipo de sobrevoltajes son los menos frecuentes en las instalaciones, pero son los que pueden causar los daños más graves, debido a la enorme cantidad de energía, que trae consigo una descarga atmosférica. Las corrientes que se presentan por este tipo de descarga, pueden alcanzar valores hasta de 100 kA instantáneos con frentes de onda muy escarpadas que introducen enormes esfuerzos dinámicos y térmicos en las instalaciones. Por lo general una descarga directa sobre un punto intermedio de una línea de transmisión provoca una onda de sobrevoltaje inicial que se divide en dos ondas viajeras que van hacia la izquierda y la derecha del punto en que se produce la descarga con una velocidad cercana a la de la luz en caso de conductores aéreos desnudos. Como se ha visto, en cualquiera de los tipos de acción externa se producen sobrevoltajes que son mayores o menores dependiendo de si la descarga es directa o indirecta. Este tipo de sobrevoltajes someten a los aislamientos de las instalaciones mal protegidas, particularmente a los de las máquinas, a esfuerzos dieléctricos que superan los niveles básicos de impulso de su aislamiento, produciendo la ruptura por perforación del material dieléctrico de dicho aislamiento. 36 Otros efectos que ocasionan las descargas atmosféricas sobre las instalaciones son los siguientes: a) La corriente del rayo alcanza valores instantáneos extremadamente altos que someten a los elementos de la instalación o esfuerzos dinámicos y térmicos y que requieren para su disminución de un diseño adecuado de la red de tierras. b) Los esfuerzos dinámicos debidos a la corriente del rayo someten a los conductores en las líneas o barras en las subestaciones a fuerzas de atracción y repulsión que pueden llegar a romper los aisladores o soportes de estos y deformar las estructuras de sujeción. c) La corriente del rayo trae consigo una gran cantidad de energía calorífica alcanzándose temperaturas de hasta 8350°C que provocan la fusión de los conductores y aislamientos provocando la correspondiente destrucción 37 de los equipos. Capitulo 3: Diseño 3.1 Introducción Hoy en día las instalaciones de atención médica y otras que llevan maquinaria delicada como salas de rayos X, y debido a su creciente tamaño y complejidad, se han vuelto más y más dependiente de seguros, adecuados y fiables sistemas eléctricos. Cada día los sofisticados equipos de diagnóstico y tratamiento, la utilización de microprocesadores o computadoras; son sensibles a las perturbaciones eléctricas y algunos requieren de una fuente de energía muy fiable. 3.2 Consideraciones de Diseño 3.2.1 Seguridad Seguridad de la vida y la preservación de la propiedad son dos de los factores más importantes en el diseño del sistema eléctrico. Esto es especialmente cierto en los centros de ocupación pública, vía pública y de alta densidad de ocupación. Varios códigos establecen normas y reglamentos para las garantías mínimas de vida y la propiedad. Como ingeniero de diseño eléctrico se tiene que garantizar una mayor protección a la que se indica en los códigos de acuerdo a su mejor juicio, al mismo tiempo que da cuenta a la utilización y la economía. Seguridad para el mantenimiento y el personal de operación se logra mediante un diseño adecuado y la selección de los equipos con respecto a los recintos, llave de enclavamiento, cortacircuitos y fusibles capacidad de interrupción, y los dispositivos de apertura de circuitos, las separaciones de los miembros estructurales, los medios de desconexión, y 38 identificación de los equipos, conexión adecuada a tierra, lo que limita los niveles de fallas. Iluminación adecuada en las salas eléctricas y alrededor del equipo eléctrico es importante para la seguridad personal. De seguridad para la población en general exige el uso de habitaciones cerradas y cerramientos, conexión adecuada a tierra, lo que limita los niveles de fallas, la instalación de barreras y el aislamiento de otros, las distancias necesarias, aislamiento adecuado, y otras disposiciones similares. Sólo el personal debe autorizado tener acceso a los aparatos eléctricos. 3.2.2 Requisitos de carga y gestión de la energía La determinación de las cargas que serán atendidos por el sistema eléctrico es fundamental para el diseño de las instalaciones. Igualmente importante es la aplicación económica de los materiales, mano de obra, y dispositivos eléctricos para alimentar las cargas identificadas. Como objetivo, la instalación completa debe responder a las cargas iniciales, un margen para el crecimiento incremental, y fomentar el uso eficiente de la energía. 3.2.3 Equipo Especial. Sistemas de distribución de energía que sirve de múltiples instalaciones de la máquina de rayos X requieren atención especial. Los diseñadores deben guiarse siempre por los datos proporcionados por los vendedores de los específicos. Sin embargo, una excelente guía de planificación está disponible como un estándar NEMA (NEMA XR9-1984) y debe ser consultado. 39 La calidad de la tensión de alimentación de la instalación es importante para tomar en cuenta en los equipos delicados como los de radiografías. Un servicio con perturbaciones mínimas, baja caída de tensión y contrarresto a transitorios y son esenciales. Hay que tomar en cuenta que la mayoría de máquinas de rayos X tienen dos tipos de carga continua y momentánea. La carga continua es generalmente pequeña y presenta pocos problemas, ya sea para “source-utility” o un generador de reserva. La demanda del momentáneo, sin embargo, puede ser un problema para un generador de reserva, sobre todo una gran máquina de rayos X alimentada por un pequeño generador. Las máquinas de rayos X tienen un alto factor de potencia, una carga de potencia real se impone en el motor. El efecto de esto debe ser evaluado en el tamaño del conjunto motor-generador. Mientras que las instalaciones de la demanda momentánea de rayos X se considera prominente en los trayectos iniciales y el tamaña del equipo de distribución, no tiene por qué ser considerado en el cálculo de la demanda de energía total impuesta a la fuente, siempre y cuando sea una parte de un sistema de tamaño moderado. Si el sistema requiere de 750kVA o más, el funcionamiento de la naturaleza momentánea de rayos X no añadirá mucho a la demanda global. Para sistemas pequeños y adiciones a las instalaciones existentes en el equipo de servicio que están cerca de su capacidad, es importante que algunas disposiciones relativas a la demanda de rayos X se tomen en cuenta. Estos mismos equipos suelen ser sensibles a las condiciones transitorias en el sistema eléctrico y pueden requerir un pararrayos local. 40 3.2.4 Sistemas de energía eléctrica Los sistemas de energía para las instalaciones públicas y con equipo delicado requieren un alto grado de seguridad, mantenimiento, expansión, flexibilidad y confiabilidad. 3.2.4.1 Circuitos de distribución Los sistemas de distribución de los centros especiales se pueden dividir básicamente en: el sistema eléctrico normal (no esenciales) y el sistema eléctrico esencial. Ambos sistemas son ofrecidos por la fuente de energía principal, sin embargo, el sistema eléctrico esencial puede ser transferido a la fuente de alimentación alternativa cuando la fuente normal de energía experimenta una falla de energía. a) el sistema eléctrico no esencial. El sistema eléctrico no esencial consiste en equipos de distribución y los circuitos que suministran energía eléctrica del suministro normal de energía a las cargas que no se consideran básicos. b) El sistema eléctrico esencial. El sistema eléctrico esencial consiste en el suministro de energía alternativa, equipo de transmisión, equipos de distribución, y los circuitos necesarios para asegurar la continuidad del servicio eléctrico a las cargas consideras como básicas. La fuente de alimentación eléctrica para la radiología necesita atención especial. El sistema debe ser instalado para proveer un margen de baja tensión (por lo general del 3% o menos) para evitar el mal funcionamiento de los equipos de rayos X. Además, el equipo del sistema de rayos X también debería estar separado de los otros equipos sensibles de tensión. 41 3.2.4.2 Consideraciones de Voltaje La selección apropiada, la regulación, y la calidad de las tensiones de utilización es muy importante debido a la amplia utilización de equipos sensibles que están disponible en muchas tensiones nominales diferentes. Se debe tener en consideración los reglamentos en teme de calidad de voltaje, para que los equipo no se vean comprometidos por tensiones erróneas o tensiones con alto contenido de armónicos. Las características dinámicas del conjunto del sistema deben ser reconocidos y los principios adecuados de control de tensión deben aplicarse de manera satisfactoria, para que la tensión que se suministrará a todos los equipos cumpla con las condiciones de funcionamiento del equipo. 3.2.4.3 Tensión nominal Una vez que las tensiones nominales de utilización han sido seleccionadas, la tensión de todo el equipo especial que se instalará debe de ser cuidadosamente seleccionado para garantizar una aplicación adecuada. Si el equipo es nuevo, debe estar a una de las tensiones de utilización prevista. En cuanto al equipo de radiología, está disponible en una variedad de tensiones monofásicas y trifásicas. Es necesario conocer lo datos de manufactura, las necesidades exactas de tensión y tolerancia de los equipos para planificar adecuadamente para su instalación. Debido a sus características de operación los sistemas con rayos X suelen ser suministrados por los sistemas de distribución de energía dedicada o especial. En general, el ingeniero debe ser consciente de que la regulación del transformador puede dar lugar a 42 una caída de tensión de 2.5-5%. Por lo tanto, para mantener el voltaje aceptable en el equipo, la caída de tensión en el cableado debe limitarse a menos del 2,5%. 3.2.4.4 Las altas cargas transitorias En las máquinas de radiología la corriente es muy alta, momentáneamente, durante una exposición. Por lo tanto, una fuente de baja impedancia es necesaria para asegurar que la caída de tensión se encuentre dentro de lis límites aceptables, por lo general 3-5%. El tubo de rayos X experimenta una pérdida de vida y funcionamiento, si no se mantiene una regulación de voltaje apropiada. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que los reguladores estándar de tensión aplicada en los alimentadores equipos de radiología no puede mejorar la regulación, ya que el ancho de pulso de los equipos puede ser menor que el tiempo de respuesta del regulador. 3.2.4.5 Puesta a tierra La palabra tierra se utiliza comúnmente en la obra de energía eléctrica para cubrir tanto equipos a tierra, como sistemas a tierra. En los centros con equipo delicado, tanto en el sistema y el equipo están conectados a tierra. Equipo de puesta a tierra Equipo de puesta a tierra es la interconexión directa a de tierra. Su objetivo es reducir los riesgos de electrocución y minimizar los daños a los aparatos debido sobrecalentamiento causado por sobrecargas, arcos, u otros. 43 3.2.5 Sistema de puesta a tierra El sistema de puesta a tierra se relaciona con el tipo de conexión a tierra aplicada al sistema eléctrico. Las razones básicas para la puesta a tierra del sistema son los siguientes: Para limitar las diferencias de potencial eléctrico entre todos los conductores no aislados de objetos en un área local. Proveer aislamiento de los equipos defectuosos y circuitos donde se produce un fallo. Para limitar las sobretensiones que aparecen en el sistema en diferentes condiciones de falla. 3.3 Protecciones de la estructura 3.1.1 Introducción Un sistema de pararrayos deberá ser diseñado tomando en cuenta los rayos promedio o mayores del área donde se encuentra el edificio. Como las descargas no pueden ser detenidas, la energía debe ser desviada en una forma controlada de la siguiente forma: se captura el rayo en la terminal aérea; luego se conduce la energía de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables conductores que transfiere la energía de la descarga mediante trayectorias de baja impedancia. Las bases para diseño de pararrayos se tienen en la norma de protección norteamericana NFPA 780. Sin embargo, esta norma prácticamente no dice nada acerca de la protección de equipo sensitivo, debido a los transitorios inducidos por las descargas atmosféricas, ya que esta trata sobre la protección externa de las estructuras. Acerca de la protección interna de las estructuras, para proteger equipo eléctrico y electrónico, existen algunas normas tales 44 como el estándar 1100 de la IEEE (IEEE Std 1100, Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment), y el IEEE C62.41 (IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits), de los cuales se toma base para el desarrollo del tema de los supresores de sobrevoltajes transitorios. 3.3.2 Pararrayos Los tipos de pararrayos que se utilizan para la protección contra las descargas atmosféricas, se dividen en dos tipos: pararrayos ionizantes y pararrayos desionizantes pasivos. 1. Pararrayos ionizantes. Son pararrayos que ionizan el aire y captan la descarga del rayo (atrae-rayos); se destacan por ser electrodos acabados en una o varias puntas, están instalados en la parte más alta de la instalación y conectados a tierra. Se dividen en: Ionizantes pasivos y Semi-activos. 2. Pararrayos desionizantes pasivos. Estos destacan por ser de forma esférica, están ubicados en la parte más alta de la instalación y conectados a tierra. Durante el proceso de la carga electroestática, la transferencia de su energía a tierra, se transforma en una corriente de fuga a tierra, el valor máximo de lectura en plena tormenta no supera los 250 mA. 45 3.3.2.1 Pararrayos ionizantes pasivos (PSF) o punta simple Franklin (atrae-rayos simple) Son electrodos de acero o de materiales similares acabados en una o varias puntas, denominados Punta simple Franklin, no tienen ningún dispositivo electrónico ni fuente radioactiva. Se basa esencialmente en canalizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la nube y el cabezal del pararrayos. La instalación conduce la tensión eléctrica generada por la tormenta primero hacia arriba, por el cable desnudo de tierra, para compensar la diferencia de potencial en el punto más alto de la instalación. Durante el proceso de la tormenta se generan campos eléctricos de alta tensión que se concentran en las puntas más predominantes; a partir de una magnitud del campo eléctrico alrededor de la punta o electrodo, aparece la ionización natural o efecto corona, este es el principio de excitación para trazar un camino conductor que facilitará la descarga del rayo. Con este dispositivo se logra proteger la instalación del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando su impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra eléctrica. 3.3.2.2 Pararrayos ionizantes semi-activos (PDC) pararrayos con dispositivo de cebado (atrae-rayos) Están formados por electrodos de acero o de materiales similares acabados en una punta, incorporan un sistema electrónico que genera un avance en el cebado del trazador; no incorporan ninguna fuente radioactiva, tienen un dispositivo electrónico sensible compuesto de diodos, bobinas, resistencias y condensadores, inundados en una resina 46 aislante, todo ello blindado; otros incorporan un sistema piezoeléctrico. Los dos sistemas se caracterizan por anticiparse en el tiempo en la captura del rayo una vez que se produce la carga del dispositivo de excitación. Se basa esencialmente en canalizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la nube y el cabezal del pararrayos. El sistema electrónico aprovecha la influencia eléctrica del aumento de potencial entre la nube y la tierra, para autoalimentar el circuito electrónico y excitar los electrones. La excitación del rayo se efectúa ionizando el aire por impulsos repetitivos; según aumente gradualmente la diferencia de potencial aportada por la saturación de cargas eléctrico-atmosféricas, aparece la ionización natural o efecto corona, este fenómeno es el principio de excitación para trazar un camino conductor intermitente que facilitará la descarga del fenómeno rayo. Estos equipos se caracterizan por incorporar un sistema de cebado que anticipa la descarga de 25 a 68 μs. 3.3.2.3 Pararrayos desionizantes pasivos, tecnología CTS (Charge Transfer System) Los pararrayos desionizantes de carga electroestática (PDCE), incorporan un sistema de transferencia de carga (CTS), y no incorporan ninguna fuente radioactiva. Se caracteriza por transferir la carga electroestática antes de la formación del rayo anulando el fenómeno de ionización o efecto corona. El cabezal del pararrayos está constituido por dos electrodos de aluminio separados por un aislante dieléctrico, todo ello soportado por un pequeño mástil de acero inoxidable. Su forma es esférica y el sistema está conectado en serie con la 47 propia toma de tierra para transferir la carga electroestática a tierra evitando la excitación e impacto directo del rayo. Durante el proceso de la tormenta se generan campos de alta tensión que se concentran en el electrodo inferior (cátodo -). A partir de una magnitud del campo eléctrico, el electrodo superior (ánodo +) atrae cargas opuestas para compensar la diferencia de potencial interna del cabezal. Durante el proceso de transferencia, en el interior del pararrayos se produce un flujo de corriente entre el ánodo y el cátodo, este proceso natural anula el efecto corona en el exterior del pararrayos. En el proceso, se produce una fuga de corriente a tierra por el cable conductor eléctrico, los valores máximos que se pueden registrar durante el proceso de máxima actividad de la tormenta, no superan los 300 mA. 3.4 Norma NFPA 780 3.4.1 Sistemas de pararrayos En Estados Unidos el estándar usado para la protección de estructuras y edificios es el aprobado por NFPA 780, el Franklin/Faraday. Esta norma trata sobre la protección de distintos tipos de edificios y de estructuras. En general un sistema de protección contra descargas, llamado de pararrayos, debe: a) Capturar el rayo en el punto diseñado para tal propósito. 48 b) Conducir la energía de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables conductores que transfiere la energía de la descarga mediante trayectorias de baja impedancia. c) Disipar la energía en un sistema de terminales en tierra. 3.4.2 Protección de estructuras y edificios, sistema Franklin La norma señala que existen dos tipos de estructuras ordinarias por proteger, las estructuras que no sobrepasan los 23m de altura (deben protegerse con materiales clase I) y las que sobrepasan los 23m de altura (deben protegerse con materiales clase II). En la tabla 3.1 se muestra algunos de los requisitos mínimos para los materiales clase I y II. Tabla 3.1 Requisitos mínimos de los materiales clase I y clase II Clase I Clase II Terminales aéreas, diámetro (mm) 9,5 Cu 12,7 Al 12,7 Cu, 15,9 Al Conductor principal, peso 278 g/m Cu, 141 g/m Al 558 g/m Cu, 283 g/m Al Sección transversal 29 mm2 Cu, 50 mm2 Al 58 mm2 Cu, 97 mm2 Al Tamaño mínimo del cable 17 AWG Cu, 14 AWG Al 15 AWG Cu, 13 AWG Al Cuando se emplean conductores de aluminio, se debe tener precaución en no llegarlos hasta el suelo porque sufren corrosión. La norma señala los siguientes aspectos en relación a las distintas partes que conforman el sistema de pararrayos 49 Captores Pararrayos El sistema más sencillo y más antiguo de pararrayos es el que consiste en terminales aéreas de cobre, bronce o aluminio anodizado terminadas en puntas Franklin, colocadas sobre las estructuras por protegerla de los rayos. Estas terminales deben estar por lo menos 25 cm sobre la estructura y la distancia entre ellas debe ser como máximo de 6 m. Para asegurarse de una buena conexión y de una baja impedancia, cada terminal aérea debe tener, por lo menos, dos trayectorias a tierra, y estas trayectorias deben estar a máximo 30 m de separación entre sí. Para la ubicación de los pararrayos, se utiliza el método de la esfera rodante, que consiste en el posicionamiento de las puntas captadoras. Debe realizarse, de manera tal que la esfera (se establece de un radio de 46m), nunca toque ninguna parte de la estructura, de este modo la esfera siempre estará soportada por algún elemento del sistema de captación. Figura 3.1 Método de las esfera rodante 50 Sistemas Conductores de Bajada (Downconductors) Los recorridos de los conductores de bajada se deben instalar fuera de la estructura. Los conductores planos rígidos son preferidos al cable flexible debido a las ventajas de su menor inductancia. Los conductores no deberían ser pintados, puesto que esto aumentará su impedancia. Deben emplearse siempre las curvas poco pronunciadas, para evitar problemas de saltos de arcos de chispas (flashovers). El acero estructural constructivo también podría utilizarse, en lugar de conductores convencionales, cuando en la práctica sea beneficioso en la emulación del concepto de la jaula de Faraday. Ecualización (Bonding) La ecualización asegura que los objetos conductores, no vinculados eléctricamente, estén al mismo potencial eléctrico. Sin la ecualización apropiada, los sistemas de protección contra el rayo no trabajarían. Todos los conductores metálicos que ingresan a las estructuras (por ejemplo, las líneas de energía de corriente alterna, las cañerías de gas y de agua, líneas de datos y de señales, los ductos de aire acondicionado, conductos y tuberías, portones, marcos de puertas metálicas, pasamanos metálicos, etc.) deberían ser eléctricamente referenciadas al mismo potencial de tierra. Las uniones para la ecualización deberían ser exotérmicas y no mecánicas, donde sea posible, especialmente en áreas bajo-nivel. Los ductos y respiraderos de los sistemas de aire acondicionado que penetran a una estructura desde otra, no deberían ser ignorados, ya que pueden convertirse en caminos eléctricos problemáticos. Se recomienda la inspección frecuente y medición de la resistencia eléctrica de conectores (con un valor máximo de 10 miliohmios), para asegurar la continuidad. 51 Puesta a tierra El sistema de puesta a tierra debe direccionarse de una baja impedancia a tierra, así como una baja resistencia. Un estudio espectral del impulso típico del rayo revela un contenido de altas y bajas frecuencias. El sistema de puesta a tierra se comporta frente al impulso de rayo como una línea de transmisión, en donde se aplica la teoría de la propagación de ondas electromagnéticas. Una parte considerable de la corriente del rayo se propaga horizontalmente al impactar sobre tierra: se estima que menos del 15% de esa corriente penetra la tierra. Consecuentemente, valores bajos de la resistencia (25 Ohmios determinados por el NEC) son menos importantes que las eficiencias volumétricas. Se logra la llamada ´Puesta a Tierra Equipotencial´ cuando todos los equipos dentro de las estructuras están referidos a una barra maestra de distribución de puesta a tierra, que en definitiva está conectada o vinculada al sistema exterior de puesta a tierra. Los lazos o ´loops´ de tierra, y los consecuentes tiempos de crecimiento diferenciales deben ser evitados. El sistema de puesta a tierra se debería diseñar para reducir su impedancia a la corriente alterna, y para reducir la resistencia a la corriente continua. Son útiles los electrodos de puesta a tierra en anillo, conectados alrededor de las estructuras. De acuerdo con la norma, el sistema de electrodos para la protección contra descargas atmosféricas depende también de las condiciones del suelo. De ahí que, para estructuras ordinarias menores a 23 m de altura, en: Arcilla Profunda y Húmeda.- Una simple varilla de 3 m es suficiente. Suelo arenoso.- Se requieren dos o más varillas espaciadas más de 3 m. 52 Suelo con tierra poco profunda.- Se emplean trincheras radiales al edificio de 5 m de largo y 60 cm de ancho en arcilla. Si la roca está más superficial, el conductor podría colocarse sobre la roca. Rocas.- En un suelo muy poco profundo, un cable en anillo se instala en una trinchera alrededor de la estructura. Para mejorar aún el contacto, es posible colocar placas de al menos 2 pies2. La Corrosión La corrosión y los aspectos de reacción catódica se deberían considerar durante la fase de análisis de la instalación. El ensamblado de conductores de aluminio por debajo, junto con conductores de tierra, de cobre, es una situación típica que provoca problemas a futuro. Transitorios y sobretensiones Los lineamientos para la protección electrónica y eléctrica son bien descritos en la norma IEEE 1100. Los fusibles comunes y los interruptores termomagnéticos no son capaces de contener las sobretensiones eléctricas impulsivas, o transitorios, inducidos por el rayo. 3.4.3 Sistema tipo jaula de Faraday Para estructuras grandes se utiliza una modificación al sistema Franklin de pararrayos, al añadir a las terminales aéreas conductores que crucen sobre la estructura por proteger, como una caja de Faraday, limitada sobre y a los lados de la construcción, y todo ese conjunto resultante es conectado a cables múltiples de bajada, que a su vez se conectan al sistema de tierras perimetral del edificio. El método es utilizado principalmente cuando es 53 necesario proteger superficies planas, en donde una malla conductora puede ser considerada para obtener la protección contra impactos directos de toda la estructura. Para este caso los conductores externos son colocados sobre bordes de techos y terrazas. La red enmallada debe ser diseñada de tal manera que la corriente de rayo siempre encuentre al menos dos vías de evacuación de la corriente. Los edificios modernos con estructura de acero y con varillas embebidas en concreto se acercan al concepto de la jaula de Faraday, y el riesgo de que un rayo penetre en un edificio protegido de esta manera se vuelve extremadamente pequeño. Aunque se debe notar que los rieles de los elevadores no deben ser usados como el conductor de bajada de los pararrayos, el NEC permite que se unan al sistema de pararrayos. 3.5 Supresores de sobrevoltajes transitorios 3.5.1 Introducción Los sobrevoltajes transitorios pueden originarse por maniobras de conexión o desconexión, descargas atmosféricas y descargas electrostáticas. Los transitorios eléctricos más severos son los ocasionados por las descargas atmosféricas. Estas pueden dañar el aislamiento de transformadores, motores, capacitores, cables y ocasionar fallas en líneas de transmisión por la ionización del aire. Las cargas sensibles empleadas en hospitales, centros de cómputo y en los controles industriales son más susceptibles a las descargas atmosféricas, que las cargas convencionales. De ahí la necesidad de los supresores de sobrevoltajes transitorios, estos protegen al equipo electrónico sensible dentro de límites de voltaje menores que los 54 apartarrayos. El equipo electromagnético tolera sobrevoltajes transitorios hasta que su aislamiento se perfora; en cambio, el equipo electrónico sensible puede dejar de funcionar o funcionar erráticamente antes de que ocurra daño visible. Mientras que el propósito de los apartarrayos es el de proteger el aislamiento de transformadores, motores y líneas de transmisión, el propósito de los supresores de sobrevoltajes transitorios es el de proteger al equipo electrónico sensible. 3.5.2 Principio de operación de los supresores A los supresores de sobrevoltajes transitorios se les conoce como supresores de picos. La acción de estos protectores es exactamente esa, la de recortar los sobrevoltajes transitorios, drenando corriente en el caso de los tipo paralelo, presentando una impedancia serie grande en el caso de los tipo serie. Los supresores paralelos drenan corriente para sujetar los sobrevoltajes transitorios. Cuando el voltaje debido al disturbio excede cierto valor, el dispositivo de protección permite el paso de la corriente ocasionando una caída de potencial en la impedancia de la fuente. 3.5.3 Clasificación de supresores de sobrevoltajes transitorios de acuerdo a la conexión con la carga. Los supresores se pueden clasificar de acuerdo a la conexión con la carga que protegen. La conexión puede ser en paralelo o en serie con la carga, siendo la conexión en paralelo la más común. El tamaño de los supresores paralelo no depende del tamaño de la carga, sino de su cercanía a la acometida y de la corriente que pueden conducir al realizar su labor de limitar los sobrevoltajes transitorios. El supresor de sobrevoltajes transitorios conectado en 55 paralelo, cuando el voltaje en terminales de estos aumenta, la resistencia del elemento de protección disminuye, dejando pasar más corriente. Los dispositivos en paralelo se pueden clasificar a su vez en dos tipos: Sujetadores de voltaje, “voltage clamping devices”, Dispositivos de arco, “crowbar devices” Ambos tipos de supresores paralelo conducen corriente cuando el voltaje aumenta por arriba del valor de ruptura. Los sujetadores de voltaje recuperan el estado de circuito abierto cuando el voltaje disminuye por debajo del nivel de ruptura, mientras que los de arco entran en conducción cuando el voltaje está muy por arriba del voltaje de arco (digamos un 50% por arriba de dicho voltaje), una vez en conducción el voltaje en terminales cae repentinamente a ese voltaje de arco y se mantiene casi constante. Entre los dispositivos sujetadores de voltaje se tienen los siguientes: MOV, varistor de óxido metálico, Celdas de selenio, Diodos de avalancha, protectores zener. Entre los dispositivos de arco se encuentran los siguientes los tubos de gas, puntas metálicas con separación pequeña, entrehierros, puntas de carbón con separación pequeña y tiristores Estos dispositivos tienen la capacidad de manejar grandes corrientes ya que el voltaje en sus terminales disminuye en forma importante cuando están en estado de conducción. Se utilizan frecuentemente en protectores telefónicos y en protectores de líneas de datos. No se pueden utilizar fácilmente en protectores de alimentación de CA; en esa aplicación son preferibles los sujetadores de voltaje. 56 Los supresores serie utilizan elementos de protección como los usados en los protectores paralelo; pero incorporan un inductor o un resistor serie; debido a esto pueden limitar mucho mejor los sobrevoltajes transitorios. Los elementos serie deben ser capaces de conducir la misma corriente que la carga, de ahí que las dimensiones y el costo de estos sean dependientes de la carga. 3.5.4 Categorías de ubicación. Los supresores de sobrevoltajes transitorios también se pueden clasificar de acuerdo a su ubicación. De acuerdo al “IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits”, se tienen las categorías A, B y C. La figura 3.10 ilustra la ubicación de las tres categorías. La categoría A corresponde a las siguientes ubicaciones: tomacorrientes y circuitos derivados largos, todos los tomacorrientes que estén a más de 10 m de categoría B con hilos #14 - #10 AWG, todos los tomacorrientes que estén a más de 20 m de categoría C con hilos #14 - #10 AWG. La categoría B corresponde a las localidades siguientes: alimentadores y circuitos derivados cortos, tableros de distribución, barrajes y alimentadores en plantas industriales tomacorrientes para aparatos grandes con cableados cercanos a la acometida sistemas de iluminación en edificios comerciales La categoría C corresponde a las siguientes ubicaciones: instalación exterior y acometida, circuitos que van del watthorímetro al medio de desconexión principal, cables del poste al medidor, líneas aéreas a edificios externos y líneas subterráneas para bombas. 57 El estándar recomienda que los protectores de categoría C deben ser capaces de tolerar mayores corrientes que los de categoría A y B, mientras que el B debe soportar mayores corrientes que los de categoría A. Es por esto que, en general, los de categoría C son más robustos y más costosos. La clasificación también sugiere que los de categoría A tengan un voltaje de sujeción menor, de esta manera los de clase B y C se encargan de manejar altas energías y los de categoría A se encargan de restringir las excursiones del sobrevoltaje transitorio pare evitar disturbios en la operación del equipo sensible. 3.5.5 Transitorios de modo común y de modo diferencial El modo diferencial se hace presente entre los conductores que normalmente llevan corriente; por ejemplo en un caso monofásico, corresponde a un transitorio entre vivo y neutro. El voltaje entre neutro y tierra no presenta transitorio alguno; el voltaje es cero. Aunque los transitorios más comunes son los de modo diferencial, la recomendación es que se cuente con protección de línea a neutro, de línea a tierra y de neutro a tierra. Figura 3.2 Método de las esfera rodante 58 3.5.6 Instalación de los supresores de sobrevoltajes transitorios Es muy importante que el supresor de transitorios esté cerca de la carga por proteger. En caso de que el supresor esté retirado de la carga y se presente un transitorio con frente de onda muy pronunciado es posible que un pico llegue al equipo sensible. Es importante respetar las Categorías de Ubicación para los supresores de transitorios en circuitos de alimentación de baja tensión. Por ejemplo, en la acometida debe emplearse uno de Categoría C. Es importante que los supresores cuenten con protección en modo diferencial y en modo común. La protección de modo diferencial es indispensable pero no es suficiente; se requiere de protección de modo común. Los supresores de transitorios no realizarán su función si no se instalan en forma adecuada. Por ejemplo, no podrán proteger contra disturbios de modo común si no están conectados a un conductor de puesta a tierra, de ahí que sea indispensable seguir las instrucciones de instalación del fabricante. Se recomienda que se instalen supresores categoría B a la entrada de un UPS. Esto, pues se tiene la idea errónea de que un UPS es la solución total a los problemas de calidad de energía. 59 3.6 Puesta a Tierra 3.6.1 Condiciones de dimensionamiento Los componentes de la puesta a tierra se dimensionan con distintos criterios según sea su función, los conductores se deben dimensionar con la mayor corriente que por ellos puede circular, y los dispersores para la mayor corriente que pueden drenar. La corriente conducida por cada elemento de la red de tierra surge de determinar las distintas corrientes de falla, generalmente entre la corriente de cortocircuito trifásica y monofásica se encuentra el mayor valor. La corriente drenada máxima se presenta entre la monofásica (a tierra) y la corriente de tierra de una falla bifásica a tierra. En ciertos casos puede ser necesario considerar una falla bifásica que puede verse como dos fallas monofásicas a tierra en distintos puntos. 3.6.2 Puesta a tierra de servicio y seguridad Puesta a tierra de servicio, es la conexión del neutro a tierra hecha en forma directa o a través de una impedancia (que limita las corrientes de falla monofásicas). La puesta a tierra de servicio puede llevar permanentemente a tierra una cierta corriente, por ejemplo atribuida a que las capacitancias de líneas de distribución son distintas de una fase a otra. El objetivo de la puesta a tierra de seguridad es la protección de las personas de recibir una descarga eléctrica por fallas de aislamiento, o cortocircuitos. Con esta finalidad todas las canalizaciones metálicas, soportes, estructuras, gabinetes, tableros y en general toda 60 estructura metálica (conductora) que por accidente pueda quedar bajo tensión, debe ser conectada a tierra. La puesta a tierra de seguridad, no presenta normalmente corrientes drenadas, solo cuando se presenta una falla, un ejemplo es la conexión a tierra de las carcazas de las maquinas eléctricas, para que en caso de falla de sus arrollamientos no presenten tensiones hacia tierra. Alrededor de los elementos puestos a tierra, y en el terreno próximo a la red que drena corriente a tierra se presentan tensiones que pueden ser peligrosas para los seres vivos, y que se llaman tensiones de paso y tensiones de contacto, la tensión en el terreno depende del electrodo de puesta a tierra, que fija una función de la tensión que depende de la distancia del punto a los electrodos. Se forma entonces un campo potencial alrededor del electrodo que drena y los pies de una persona que se acerca, se presenta la diferencia de potencial llamada tensión de paso, y si una persona toca elementos conectados a la red de tierra entre sus pies y manos se presenta la tensión de contacto. La tensión de paso aparece en la superficie del suelo entre dos puntos distantes 1 m (un paso convencional) cuando se inyecta corriente en el suelo a consecuencia de una falla a tierra. La tensión de contacto se presenta sobre el cuerpo de una persona que toca una carcasa, estructura o tablero, entre sus manos y sus pies. 61 CAPÍTULO 4: Diagrama unifilar y protecciones 4.1 Diagrama unifilar En la realización de este proyecto se tomó la decisión de realizar el diagrama unifilar del edificio amarillo, ya que este posee cargas sensibles y críticas (las máquinas de Rayos X, ultrasonidos, equipo de computo), los cuales tienden a ser equipo vulnerable a posibles fallos y además son de mucha importancia para el servicio de las personas que son atendidas en el complejo. En la inspección realizada en el complejo INS-Salud (a los tableros del edificio amarillo), se encontraron que existen circuitos que se colocaron para fines específicos (por ejemplo un circuito para un cajero automático que no existía), y que no estaban siendo utilizados actualmente. Lo primero que procede es elaborar un recuento de las cargas sensibles y criticas, las cuáles se enumeran en la siguiente tabla. Tabla 4.1. Lista de equipo sensible. Digitalizador de imagen 3 fases 50/60 Hz Cantidad=1 60 kVA Equipo de rayos x convencional 3fases 50/60 Hz 3 kVA Equipo de rayos x 1 fase 60 Hz 50 kW Ultrasonido siemens acuson x 300 1 fase 60 Hz 600 VA Ortopantomógrafo 1 fasse 60 Hz 2,6 kW 62 200-220240 V Cantidad=2 200 Cantidad=1 240 V Cantidad=1 220-240 V Cantidad=1 Impresoras kodak rp x-omat 1 fase 60 Hz 30A Cantidad=2 120-240 V Tabla 4.2. Otras cargas importantes Descripción Aire acondicionado Carga por unidad (VA) 3500 Cantidad Carga de total unidades (VA) 4 14000 Secador de 2000 manos Computadoras 300 6 12000 4 1200 Impresoras Ventiladores 2 4 600 400 300 100 Para los circuitos de iluminación aplicamos la Tabla 220-3 (a) del NEC, del plano se obtuvo que el área aproximada del edificio es de; 711 m2, además se multiplicara lo obtenido por 1.25, ya que se considera que esta carga es continua, como se utilizaran circuitos de 20 A, se divide por 20, para conocer el número total de circuitos para iluminación. Tabla 4.3 Circuitos para iluminación Área Área (ft2) Carga Carga (m2) por pie total cuadrado (VA) (VA) 711 7653,1403 2 15306,2806 Con factor Corriente Número de de total (A) circuitos demanda (VA) 19132,8508 159,440423 7,97202115 Por lo tanto se utilizaran ocho circuitos para iluminación, por criterio de diseño, se utilizara la misma cantidad de circuitos de tomas. 63 Figura 4.1. Distribución física de los tableros Se procede a hacer el cálculo para la cantidad de circuitos ramales, tomando en cuenta que cada una de las máquinas de Rayos X se colocara en un tablero a parte. Estos cálculos, así como los tableros de alimentación, y los cálculos de regulación y caída de tención, se encuentran en el apéndice A. Para dichos cálculos se aplicaron los siguientes artículos del NEC; Para ramales: A210-2, A250-110 (Puesta a tierra de equipos), A210-3 (Capacidad nominal de corriente de los circuitos ramales), A210-19 (Capacidad de corriente mínima y calibre mínimo), A220-20 (Protección contra sobre corriente), T210-21.b.2 (Corriente nominal del circuito y carga), A210-24 (Cargas permisibles), T210-24, A210-63 (Salida para equipos de 64 calefacción, aire acondicionado y refrigeración), A220-3 (Calculo para los circuitos ramales). Para alimentador: A215-2 (Capacidad nominal y calibres mínimos), A215-3 (Protección contra sobre corriente), A220-10 (Alimentadores y acometidas), A220-11 (Alumbrado general); T220-11, A220-13 (Cargas de tomacorrientes en edificaciones no residenciales), A220-22 (Carga del neutro del alimentador o la acometida). Con los datos obtenidos del apéndice A, se obtiene el diagrama unifilar presentado a continuación: Figura 4.2. Diagrama unifilar 65 4.2 Calibres y conduits Para el diseño de los calibres y conduits, se puede observar el apéndice A; en él se encuentra el calibre y el diámetro en milímetros del conduit de los circuitos ramales. Para la acometida y los alimentadores; el tablero RXn y el RXe, poseen la misma carga entonces: Para iluminación; aplicando la Tabla 220-11 del NEC; tenemos que: 7653.1403*0.4= 3061.25612 VA Para las demás cargas, las sumamos y aplicamos el factor los factores de demanda que se especifican en el A220-30 del NEC: La carga total 29400. Aplicando A220-30: 10000*100%+10200*40%=17760VA Entonces la carga total: (17760+3061.25612)/(208*1.732)= 57.794 A Según la tabla 310-16 del NEC el calibre N’4 para las faces. Los cálculos de caída de tensión se encuentran en el apéndice A (Tabla A-14). Para en neutro según A220-22 tenemos que 57.794*1.4=80.9116. Según la tabla 310-16 del NEC el calibre N’3 para el neutro. Según la tabla 250-122 Calibre N’8 para la tierra. Todos con cable THHN, calculados para una temperatura de 60 °C. Para seguridad se utilizaran calibres superiores a estos en las cajas RXe y RXn. El cálculo de la tubería respectiva se encuentra en el apéndice A. 66 Para el tablero RX se sigue un procedimiento como el anterior, de manera que: Calibre 350 para las fases, 600 para el neutro y 4/0 para la tierra. 4.3 Pararrayos Para el diseño de la varilla de pararrayos, se utilizo un software, que según las dimensiones del edificio, proporciono los siguientes datos: Resultados Cálculo Datos Proyecto Normativa CTE Nombre del Proyecto INS_amarillo País Costa Rica Cliente INS Ciudad San José 2. Medidas Estructura l 23m L 47m h 8m 3. Cálculo Índice de Riesgo Ng 5 C1 Situación de la estructura respecto otras estructuras Estructura situada en un espacio donde hay otras estructuras o árboles de la misma altura o más altos. Estructura Tejado Común Común C3 Contenido de la estructura Contenido inflamable. C4 Ocupación de la estructura Usos pública concurrencia, sanitario, comercial, docente. 67 C5 Consecuencias sobre el entorno Edificios cuyo deterioro pueda interrumpir un servicio imprescindible (hospitales, bomberos, …) o pueda ocasionar un impacto ambiental grave. ¿En el edificio se manipulan substancias tóxicas, radioactivas, altamente inflamables o explosivas? Sí ¿Existen antenas en el edificio? Sí 5. Confección Estudio Según Plano Ae 6250.56 Rp min 52.33 Na 0.0001 Ne 0.0156 E 0.992 Nivel de Protección I Según los cálculos y la ubicación elegida, se determina que... Es necesaria la instalación de un pararrayos en su edificio. El valor de la Eficiencia Requerida es de 0.99, por lo tanto el nivel de protección requerido es... Nivel de Protección I INGESCO recomienda en este caso la instalación de un pararrayos... De, al menos, 52.33m de radio. Por lo tanto, para la correcta protección de su edificio, los materiales aproximados que necesitará para cada instalación son... Uno de los siguientes captadores: Cant. Nombre 1 INGESCO PDC 4.3 ( de 54m de radio.) 1 INGESCO PDC E-45 ( de 74m de radio.) 68 1 INGESCO STREAM-45 ( de 74m de radio.) Y, además, los siguientes elementos: Cant. Nombre 1 Pieza de Adaptación cabezal-mástil 1 Mástil de 5,80 m. de longitud 1 Juego de Anclaje para mástil 1 Contador de Rayos CDR-1 1 Tarjeta PCS * Cable trenzado de cobre ** Abrazaderas 1 Manguito de conexión 1 Tubo de protección (3m) 1 Arqueta de registro 1 Puente de Comprobacion *** Electrodo-pica Toma de Tierra 1 Compuesto mineral Quibacsol *: 6 metros para el interior del mástil más todo el recorrido desde la base del mástil a la toma de tierra. **: 3 abrazaderas de fijación por metro de cable. ***: El número de picas necesario dependerá de la resistividad del terreno. La resistencia de la toma de tierra debe ser inferior a 10 Ohmios. 4.4 Protección contra sobrevoltajes Como se trata de una clínica de Rayos X, queremos la máxima protección, es por este motivo que procederemos a colocar una protección para exteriores categoría C modelo TVSS300 de 250000 A. Para el tablero RX, ya que se trata de las cargas de las máquinas de Rayos X, se utilizará protección categoría B, modelo TVSS150, con una protección de 125000 A. 69 Para el tablero RXe, se utilizará protección categoría B, modelo TVSS100, porque son cargas importantes, como los ultrasonidos y las reveladoras, con una protección de 100000 A. Cada máquina de rayos X debe contar con una protección contra sobrevoltaje categoría A, esto para preservar la máquina en buen estado, así como proteger la misma de posibles futuros fallos en el sistema. CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones 5.1 Conclusiones Al elaborar el diagrama unifilar, se pudo observar la necesidad de colocar transformadores, en cada una de las máquinas de rayos X, esto se debe a que es un equipo muy sensible, además de que este equipo es capaz de consumir una alta cantidad de potencia en un corto periodo de tiempo, lo cuál nos indica que hay una clara necesidad de separar las cargas de este tipo de las demás. El diseño de los circuitos para equipo sensitivo, se elaboro tomando en cuenta su potencia, sus características, y respetando los límites de regulación establecidos para este tipo carga en el presente trabajo. 70 Las protecciones contra sobre voltajes, se diseñaron de acuerdo al tipo de carga conectada, tomando en cuenta su importancia, su valor económico, entre otros. 5.2 Recomendaciones Para el diseño de los circuitos que alimenten cargas de rayos x, se recomiendo poner en marcha la normativa establecida en NEMA XR9. Todas las cargas que alimenten cargas de rayos X, es prudente colocarlas separadas (en otra caja), de las cargas que no sean sensibles, tales como cagas de iluminación, tomas, entre otros. 71 BIBLIOGRAFÍA Libros: López, E. “Puestas a tierra y protección contra descargas atmosféricas”, Proyecto Eléctrico, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica, 2005. Bolaños, C. “Protecciones contra descargas atmosféricas Teoría y normativa ”, Proyecto Eléctrico, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica, 2008. NEC 1999. IEEE Std 602-1996 (Revision of IEEE Std 602-1986) Páginas web: http://www.trilogiamagnetica.com.mx/PDF/CEL.pdf http://jaimevp.tripod.com/Electricidad/calidad.HTM http://www.ittoluca.edu.mx/difusion/Presentaciones/PRESENTACION%20DE%20CALD AD%20DE%20LA%20ENERG%CDA%20EL%C9CTRICA.ppt http://www.trilogiamagnetica.com.mx/PDF/CEL.pdf http://www.procobre.org/archivos/pdf/download_biblioteca/MX/junio/conductores/unidad 5.pdf https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=gmail&attid=0.1&thid=129c48ae243b2781&mt =application/pdf&url=https://mail.google.com/mail/?ui%3D2%26ik%3De258c91a3e%26vi 72 ew%3Datt%26th%3D129c48ae243b2781%26attid%3D0.1%26disp%3Dattd%26realattid% 3Df_gbipt7kn0%26zw&sig=AHIEtbQ_pCydM_0Y0KSy0KIFvOqfL9kd7A 73 APÉNDICE A Tabla A-1 Cargas sensibles Cable Resistencia dc/ft 0,0000626 Resistencia Potencia Consumida (W) 6,55237E-05 60000 Voltaje (V) 208 Corriente (A) 166,543 Distancia (ft) 62,762 0,00129 0,001350249 3000 208 8,327 43,077 Maquina de rayos x 2/0 0,000101 0,000105717 50000 208 138,786 70,013 ortopantomógrafo 10 0,000101 0,000105717 2600 208 7,217 80,676 Caida (V) 1,3698 % Caida 0,6586 0,9687 0,4657 2,0545 0,9877 0,1231 0,0592 Digitalizador de 4/0 imagen Maquina de rayos x 10 Tabla A-2 Luminarias Cable Resistencia Resistencia dc/ft Corriente (A) Luminarias 10 1 0,00129 19,9300529 67,143 Caida (V) 3,6137 Potencia Voltaje Consumida (V) (W) 0,001350249 2391,60635 120 % Caida 3,0114 Tabla A-3 74 Distancia (ft) Tomas Cable Resistencia Resistencia dc/ft Corriente Distancia (A) (ft) Tomas 1 10 0,00129 16 Caida (V) 2,9011 Potencia Voltaje Consumida (V) (W) 0,001350249 2391,60635 120 67,143 % Caida 2,4176 Tabla A-4 8 Resistencia dc/ft 0,000809 CALCULO DE CAIDAS DE TENSION Resistencia Potencia Consumida Voltaje Corriente Distancia (W) (V) (A) (ft) 0,000846784 2000 120 16,6666667 67,143 12 10 0,00205 0,00129 0,002145745 600 0,001350249 7200 240 240 2,5 30 10 0,00129 0,001350249 3500 240 14,5833333 80,676 Otros Cable Secador de manos Ultrasonido Impresoras kodak rp xomat Aire acondicionado Caida (V) % Caida 1,8952 0,7204 1,5793 0,3001 5,4396 2,2665 3,1772 1,3238 Tabla A-5 Tablero RX1 67,143 67,143 Tabla A-6 Tabla A-7 Tabla A-8 Tabla A-9 Tabla A-10 Tabla A-11 Tabla A-12 Tabla A-13 Acometida Cable Tableros RXn y Rxe 4 Resistencia dc/ft 0,000321 Caida (V) % Caida 3,1313 1,5055 Caída de acometida Resistencia Potencia Consumida (W) 0,000335992 20821 Voltaje (V) 208 Corriente (A) 57,760 Distancia (ft) 80,676 ANEXOS