Blog

Mar 10, 2023

Las regulaciones requieren protección contra sobretensiones para los circuitos de seguridad

Por Brent Purdy, PE, Product Manager, AutomationDirect Incorporar la seguridad es

Por Brent Purdy, PE, Gerente de Producto, AutomationDirect

Incorporar la seguridad es un requisito fundamental para el diseño de maquinaria industrial. Las prácticas y los sistemas seguros son el resultado de una planificación cuidadosa, impulsada por códigos y especificaciones detallados que se actualizan continuamente a medida que mejora la tecnología. En los últimos años, el listón se ha elevado muchas veces, lo que ha mejorado la seguridad del operador y la protección de la maquinaria. Un ejemplo reciente se refiere al requisito adicional de protección contra sobretensiones para los circuitos de enclavamiento de seguridad y los controladores de bombas contra incendios para garantizar la seguridad del personal.

Los circuitos de parada de emergencia (e-stop) y de enclavamiento de seguridad han sido durante mucho tiempo parte de los códigos aplicables. Para la maquinaria industrial y los sistemas asociados, estos dispositivos de seguridad adoptan la forma de botones de parada de emergencia, interruptores de final de carrera de puerta, interruptores de final de carrera de protección, cortinas de luz y otros componentes, todos los cuales están conectados directamente a un relé o controlador con clasificación de seguridad para interrumpir la alimentación a una máquina en caso de un problema. Por lo tanto, los fabricantes de máquinas están bastante familiarizados con estas disposiciones de seguridad y la necesidad de integrar estas funciones de seguridad cruciales en los diseños de equipos.

En los últimos años ha habido un mayor enfoque en la calidad de la energía y la protección contra sobretensiones en toda la industria, especialmente porque los dispositivos electrónicos se usan con más frecuencia, incluso para procesos críticos y aplicaciones de seguridad. Si un circuito de enclavamiento de seguridad de cualquier tipo falla debido a una sobrecarga eléctrica, esto pone a los operadores en gran riesgo. Los nuevos códigos reconocen que los circuitos de enclavamiento de seguridad deben beneficiarse de la protección adicional que ofrecen los dispositivos de supresión de sobretensiones. Este artículo examina los antecedentes del requisito y cómo cumplir con los códigos actualizados.

Varios códigos pueden afectar a los fabricantes de máquinas. En los EE. UU., los constructores de máquinas de fabricantes de equipos originales (OEM) están más familiarizados con la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) 70, también conocida como el Código Eléctrico Nacional (NEC). Los municipios locales generalmente adoptan versiones del NEC a los pocos años de su publicación, por lo que los OEM deben cumplir en ese momento. También existe NFPA 79 con orientación específica para maquinaria industrial y otras normas del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI), la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y la Organización Internacional de Normalización (ISO).

El principal elemento de interés agregado a la revisión de 2017 de NEC 670.6 establece que "la maquinaria industrial con circuitos de enclavamiento de seguridad deberá tener instalada una protección contra sobretensiones". NFPA 79 2018 adoptó los mismos requisitos en armonía con el NEC.

La razón detrás de esto es que más de una cuarta parte de los gerentes de instalaciones encuestados en 2013-2014 indicaron que sus sitios habían sufrido daños en los circuitos de enclavamiento de seguridad atribuibles a eventos de sobretensiones eléctricas. Dado que la supresión de sobretensiones es una tecnología bien entendida y rentable, solo tiene sentido aplicarla para aplicaciones críticas.

Más allá de los requisitos del código, es una buena práctica y una inversión prudente incorporar la supresión de sobretensiones para cualquier aplicación que utilice microprocesadores o componentes electrónicos de estado sólido (Figura 1). Esto es especialmente importante para los sistemas instalados en cualquier tipo de entorno industrial desafiante, pero el hecho es que cualquier ubicación puede estar sujeta a una sobrecarga eléctrica.

Figura 1: Esta regleta de enchufes común muestra los resultados de un evento de sobrevoltaje, pero cualquier dispositivo que use electrónica de estado sólido, incluso dispositivos industriales robustos como sensores y controladores, es susceptible de sufrir daños por sobrevoltajes eléctricos.

Cualquier dispositivo eléctrico está sujeto a fallas si se somete a una sobrecarga eléctrica lo suficientemente grande, también conocida como sobretensión transitoria o pico. Pero muchos microprocesadores y componentes electrónicos de estado sólido tienen pequeñas conexiones y trazas eléctricas, lo que los hace más delicados y sensibles a las sobretensiones que los dispositivos electromecánicos simples como los interruptores de límite y los relés.

Hay muchas opciones de dispositivos de enclavamiento de seguridad ahora disponibles, como interruptores codificados sin contacto y cortinas de luz, que incorporan elementos electrónicos. Estos componentes avanzados pueden ofrecer mayor seguridad al ser difíciles de anular y al detectar la presencia del operador antes de que una persona se acerque a un área peligrosa.

El eje de cualquier sistema de seguridad, ya sea en una máquina o en un proceso más grande, es el relé, el controlador de seguridad o el controlador lógico programable (PLC) que opera para interrumpir la alimentación cuando se interrumpe el circuito de seguridad. Estos dispositivos monitorean constantemente las señales de seguridad y realizan las funciones críticas de enclavamiento, y aunque están diseñados y probados para servicio de seguridad, es posible que se dañen debido a sobrevoltajes eléctricos. Por lo tanto, funcionarán de manera aún más confiable cuando estén protegidos por dispositivos de supresión de sobretensiones. El cableado de señales asociado con los circuitos de seguridad a menudo se enruta a lo largo de la mayor parte de una máquina o instalación más grande, lo que hace que el sistema de seguridad esté aún más expuesto y vulnerable a transitorios de sobrevoltaje.

Los circuitos de enclavamiento de seguridad no son los únicos sistemas afectados por los cambios en el Código. En la revisión NEC de 2014, a los sistemas de emergencia para tableros y tableros de distribución de energía se les agregó un requisito de protección contra sobretensiones.

Ahora, para 2017, NEC 695.15 extiende esta protección requerida a los controladores de bombas contra incendios. El NEC se centra en proteger a las personas y la propiedad de los peligros eléctricos, principalmente los incendios. Por lo tanto, las bombas contra incendios utilizadas para combatir incendios reciben una consideración especial.

Los microprocesadores y la electrónica de estado sólido desempeñan un papel destacado en la automatización de subsistemas de infraestructura crítica, como interruptores y bombas contra incendios. Al igual que con otras áreas del dominio de control y seguridad industrial, el control de la infraestructura crítica puede beneficiarse del rendimiento y las capacidades del control basado en microprocesadores, pero, por naturaleza, estos controladores son susceptibles a sobretensiones.

Según los resultados de la encuesta de la NFPA, más del 10 % de los participantes en 2013-2014 informaron algún tipo de daño en el controlador de la bomba contra incendios debido a problemas de sobrecarga eléctrica. Esto plantea una preocupación lo suficientemente grande como para ordenar la inclusión de supresión de sobretensiones para estos sistemas para reducir la posibilidad de daños.

El método principal para proteger el equipo contra sobretensiones eléctricas es conectar dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) del tamaño y la clasificación adecuados a las líneas eléctricas que alimentan los circuitos objetivo. Los dispositivos de protección contra sobretensiones deben cumplir con la norma 1449 de Underwriter's Laboratories (UL) para dispositivos de protección contra sobretensiones, especialmente si se van a instalar en paneles de control industrial listados en UL 508A.

Los SPD industriales generalmente funcionan incorporando varistores de óxido de metal (MOV) dimensionados y configurados para desviar un pico de sobrevoltaje transitorio a otro conductor o tierra para que la corriente eléctrica se redirija lejos de los componentes protegidos, protegiéndolos así. Generalmente, los SPD se conectan en paralelo con el circuito. Los SPD son dispositivos pasivos hasta que ocurre un transitorio, luego el SPD "toma" acción desviando la energía de manera segura a través del modo de protección apropiado, como línea a tierra y línea a neutro. Son posibles otras tecnologías, pero todas funcionan conduciendo y redirigiendo la corriente una vez que se supera un umbral de voltaje. Este voltaje de umbral también se conoce como voltaje de paso o de sujeción.

El estándar UL 1449 clasifica los SPD por tipo, siendo los dos tipos más comunes para aplicaciones de panel de control industrial el Tipo 1 y el Tipo 2. Ambos están permanentemente conectados para proteger el equipo, pero el Tipo 1 se puede conectar aguas arriba del dispositivo de sobrecorriente del equipo de servicio. o aguas abajo. El tipo 2 solo se puede conectar aguas abajo en el lado de la carga. Las especificaciones del dispositivo indicarán esta clasificación, así como la capacidad de sobretensión en miles de amperios por fase. Dado que estos dispositivos están diseñados para usarse en paneles de control UL508A, también deben ofrecer clasificaciones de corriente de cortocircuito para que los diseñadores puedan realizar los cálculos necesarios del sistema de cortocircuito.

Una desventaja de estos dispositivos es una vida útil limitada, con degradación de la función de protección después de un cierto número de eventos de sobretensión. La única manera de que un usuario sepa que la protección está activa es si el SPD proporciona un contacto de problema o una luz indicadora. La luz indicadora suele ser como la de un interruptor de circuito de falla a tierra, encendida y verde si la protección está funcionando, apagada o roja en caso contrario.

Los SPD se ofrecen en algunos factores de forma. Un estilo está configurado como un bloque de terminales de riel DIN de paso. Sin embargo, un estilo conveniente y de uso común empaqueta la supresión de sobretensiones en un gabinete pequeño con cables extendidos. Este estilo versátil es adecuado para usar dentro y alrededor de equipos de conmutación, paneles de control y cableado de maquinaria (Figura 2). Estas son las características que debe buscar:

Figura 2:Los dispositivos de protección contra sobretensiones, como este modelo de Mersen que ofrece protección contra sobretensiones UL tipo 1, son compactos, flexibles para instalar y proporcionan una luz indicadora de estado LED.

Una vez que se selecciona el dispositivo del tamaño adecuado, los diseñadores deben asegurarse de que todos los voltajes de control que operan los circuitos de enclavamiento de seguridad estén protegidos por supresión de sobretensiones para mantener el cumplimiento con NEC 670.6. Además, como se señaló anteriormente en este artículo, todos los circuitos de alimentación que alimentan los controles de las bombas contra incendios deben tener el mismo tipo de protección. De hecho, la protección que ofrecen los SPD es un seguro económico contra fallas del equipo o interrupciones debido a sobretensiones eléctricas, e idealmente debería aplicarse a cualquier circuito de alimentación que suministre controladores o instrumentos industriales.

El diseño prudente de protección contra sobretensiones exige una estrategia de defensa en capas dentro de la instalación o el equipo. Esto permite que los niveles de protección en cascada disipen las grandes cantidades de energía que pueden surgir de un rayo o un gran evento de conmutación externo. Además, las sobretensiones creadas internamente, como el arranque de un motor grande o la conmutación de capacitores, pueden ocurrir en múltiples niveles de un sistema de distribución eléctrica. La defensa en capas es un método eficaz para mitigar los riesgos en múltiples aplicaciones.

Por lo general, dentro de una instalación, se puede especificar un SPD Tipo 1 en la entrada de servicio principal como la primera línea de protección. Además, los SPD Tipo 1 o 2 se instalarían en paneles de distribución en varios niveles dentro de la instalación. Finalmente, como hemos discutido aquí, la fuente de alimentación de las máquinas que contienen circuitos de seguridad requieren protección. Los ingenieros prudentes deben especificar e instalar protección contra sobretensiones en equipos como:

Los diseñadores de maquinaria industrial y equipos automatizados deberán cumplir con 2017 NEC 670.6 en el futuro. Esto significa la instalación de supresión de sobretensiones para circuitos de enclavamiento de seguridad en todas las máquinas y sistemas nuevos. Debido a que esto se especifica en el NEC, los inspectores eléctricos en las nuevas instalaciones analizarán detenidamente para garantizar el cumplimiento.

Afortunadamente, la categoría está bien definida y hay productos disponibles que son económicos y fáciles de instalar para este servicio. El cumplimiento viene con beneficios adicionales ya que la supresión de sobretensiones se realiza para proteger la electrónica y los controladores, por lo que los diseñadores deben considerar agregar estos dispositivos en todas las formas de equipos industriales.

Estos nuevos requisitos son solo el comienzo de la ola regulatoria de interés en la protección contra sobretensiones. Al igual que la protección contra fallas a tierra y la protección contra fallas de arco en viviendas residenciales, es probable que las reglamentaciones futuras consideren la protección contra sobretensiones en otras áreas. Los diseñadores deben considerar la protección contra sobretensiones para líneas de datos industriales y señales de control, servicios residenciales o cualquier aplicación en la que se suministre energía a equipos sensibles. Es prudente y puede ser necesario algún día.

Sobre el Autor

Brent Purdy, PE es el gerente de productos para protección de circuitos y energía en AutomationDirect.com. Antes de su puesto actual, Brent era ingeniero de productos y, antes de unirse a AutomationDirect en 2013, trabajó como líder eléctrico e ingeniero sénior en Polytron, y como ingeniero de sistemas en Westinghouse Anniston. Brent tiene un título BSEE del Instituto de Tecnología de Georgia y es ingeniero profesional certificado en el estado de Georgia.

Consulte nuestros boletines electrónicos gratuitos para leer más artículos excelentes.