Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

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(3t  i 3 )  3I m9 cos(9t  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