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Los fallos de compatibilidad electromagnética (CEM) en el cableado de control provocan falsos disparos que detienen la producción, frustran a los operarios y merman la confianza en los sistemas de protección. Un disyuntor de vacío se abre inesperadamente, pero el relé no registra ningún fallo. El culpable es invisible: las interferencias electromagnéticas (EMI) que inyectan ruido en los circuitos de control de baja tensión. Esta guía explica la física que subyace al acoplamiento de EMI y, a continuación, ofrece técnicas prácticas de supresión, puesta a tierra y enrutamiento probadas en más de 60 instalaciones de conmutación de media tensión.
El ruido del cableado de control se refiere a las perturbaciones eléctricas no deseadas que corrompen las señales de baja tensión, provocando falsos disparos, alarmas molestas y mal funcionamiento de los equipos. La CEM engloba los principios que permiten que los dispositivos funcionen sin interferencias de los equipos adyacentes o sin causar interferencias a los mismos.
La física de la IEM implica tres mecanismos de acoplamiento:
Según la norma IEC 61000-4-4 (Inmunidad a transitorios eléctricos rápidos/ráfagas), los equipos de control industrial deben soportar perturbaciones transitorias de hasta 4 kV en los puertos de señal y alimentación para entornos difíciles. Las mediciones sobre el terreno en subestaciones mineras revelan amplitudes de ruido que alcanzan los 2-5 V de pico en cables de control sin apantallar tendidos en paralelo a los conductores de salida de los VFD, superando con creces los umbrales de sensibilidad de 50-100 mV de los relés de protección modernos.
Fuentes de ruido en sistemas de control de disyuntores de vacío incluyen transitorios de conmutación con tiempos de subida inferiores a 5 ns, oscilaciones inducidas por el arco del contactor a 1-10 MHz y ruido en modo común de VFD a frecuencias portadoras entre 2-16 kHz.
En los entornos industriales predominan tres fuentes principales de IEM. Identificar cada una de ellas es esencial antes de seleccionar las estrategias de supresión.
Transitorios de conmutación
Cuando los disyuntores, contactores o relés funcionan, generan transitorios de tensión de alta frecuencia que se propagan por el cableado de control a través de vías conducidas y radiadas. Durante la conmutación de los contactores, las tensiones transitorias pueden alcanzar los 2.500 V con tiempos de subida inferiores a 5 ns. Estos transitorios rápidos se acoplan capacitivamente a los cables de control adyacentes, creando ruido en modo común que desencadena operaciones espurias de los relés.
Emisiones de los variadores de frecuencia
Los VFD generan EMI de banda ancha a través de la conmutación PWM, normalmente a frecuencias portadoras entre 2-16 kHz. El contenido armónico resultante se extiende hasta la gama de MHz. Las pruebas realizadas en instalaciones de fabricación demostraron que los cables de control sin apantallar tendidos a menos de 300 mm de los conductores de salida de los VFD experimentaban niveles de ruido inducido superiores a 50 mV, suficientes para provocar lecturas de entrada erráticas del PLC y operaciones de protección falsas.
Las fuentes de ruido más comunes en las instalaciones de conmutación son:
Carga inductiva Back-EMF
Los arrancadores de motor, las electroválvulas y los transformadores auxiliares crean picos de contrafase durante la desexcitación. Sin supresión, las bobinas de relé de 24 V CC pueden generar transitorios de más de 500 V de pico. Estos picos se propagan a través de las vías de tierra compartidas y los carriles de alimentación, afectando a los circuitos de control sensibles de toda la instalación.
[Opinión de expertos: Observaciones sobre el terreno acerca de la intensidad del ruido].
- Las instalaciones cerca de hornos de arco o grandes accionamientos de motor requieren medidas CEM reforzadas: se espera un ruido inducido entre 3 y 5 veces superior al de los entornos industriales típicos.
- Los cables de control que actúan como antenas involuntarias muestran un aumento espectacular del acoplamiento cuando las longitudes se aproximan a múltiplos de un cuarto de longitud de onda de las frecuencias de interferencia.
- Los aumentos del potencial de tierra de 50-200 V en condiciones de fallo pueden dañar los optoacopladores con aislamiento nominal de 1 kV.
Los dispositivos de supresión constituyen la primera capa de defensa contra los falsos disparos inducidos por IEM. Hay tres tipos de supresores que cumplen funciones distintas en protección de la bobina del contactor de vacío y circuitos de relés.
Comparación de supresores
| Tipo de supresor | Tiempo de respuesta | Tratamiento de la energía | Mejor aplicación |
|---|---|---|---|
| Varistor de óxido metálico (MOV) | ~25 ns | Alta (julios) | Protección de bobina de disparo/cierre |
| Diodo TVS | <1 ns | Bajo-Medio | Entradas de relé sensibles, puertos IED |
| Amortiguador RC | N/A (pasivo) | Continuo | A través de bobinas inductivas para amortiguar el timbre |
Tamaño del RC Snubber para bobinas de disparo de 220 VDC
La fórmula de dimensionamiento C ≈ I²/(10 × V) da valores típicos de condensador de película de 0,1 µF más resistencia de 100 Ω (2 W mínimo). La tensión nominal del condensador debe ser superior a 1,5 × alimentación -mínimo 330 V CC para circuitos de 220 V CC.
Normas de colocación
Instale supresores directamente en cada carga inductiva: bobinas de disparo, bobinas de cierre, relés auxiliares. Añada una protección secundaria en el punto de entrada del cable del compartimento del relé. Nunca instale supresores sólo en el extremo de la fuente de alimentación: el cable entre la fuente y la carga actúa como una antena, captando interferencias después del supresor.
Una conexión a tierra adecuada elimina el acoplamiento de impedancia común que crea bucles de tierra, una de las principales causas de falsos disparos persistentes.
Por qué falla la conexión a tierra en cadena
Las conexiones múltiples a tierra crean bucles. Las corrientes circulantes durante los transitorios inducen tensiones diferenciales en los circuitos de control. El síntoma: falsos disparos intermitentes que se correlacionan con las operaciones de los alimentadores adyacentes, pero que nunca son captados por los registradores de fallos.
Puesta a tierra en estrella
Mejores prácticas para la terminación del blindaje
Utilice prensaestopas CEM de 360° con contacto de férula para una conexión óptima de la pantalla. Si no dispone de prensaestopas, mantenga la longitud de los latiguillos por debajo de 30 mm. No utilice nunca la pantalla como conductor de retorno de la señal.
Conexión de la barra de tierra a la red principal
Utilice una trenza flexible de cobre estañado ≥16 mm² con una longitud inferior a 300 mm. A altas frecuencias, la inductancia es más importante que la resistencia. Conéctelo a la red de tierra de la aparamenta, no a acero estructural aleatorio.
[Visión experta: Errores de conexión a tierra que vemos repetidamente]
- Los latiguillos de apantallamiento de más de 150 mm anulan la eficacia del apantallamiento por encima de 1 MHz.
- La conexión del negativo de CC al PE en varios puntos crea bucles de masa que amplifican el ruido de 50/60 Hz.
- Las conexiones de trenza flexible se corroen en entornos húmedos; especifique cobre estañado e inspecciónelas anualmente.
- La ubicación de la barra de tierra es importante: móntela a menos de 200 mm de la entrada del cable para minimizar la inductancia del cable.
La separación física entre los conductores de potencia y de control evita el acoplamiento capacitivo e inductivo en la fuente, a menudo más eficaz que la supresión a posteriori.
Distancias mínimas de separación
Mantenga una separación mínima de 100 mm entre los cables de control y de alimentación en entornos estándar. Cerca de los cables de salida VFD, aumente la separación a 300 mm como mínimo debido al contenido de ruido PWM de alta frecuencia. Cuando sea inevitable cruzarlos, hágalo sólo a 90°, nunca en paralelo en la misma bandeja de cables.
Selección de cables apantallados
Disciplina de entrada de cables
Los prensaestopas EMC con contacto de virola de 360° proporcionan una terminación de apantallamiento superior para instalaciones nuevas. En situaciones de reequipamiento, los núcleos de ferrita a presión en los puntos de entrada ofrecen una reducción práctica del ruido: seleccione núcleos con impedancia optimizada para el rango de 1-30 MHz, donde se concentran la mayoría de los transitorios de conmutación.
Separe físicamente las placas prensaestopas: entrada de cables de alimentación en un lado de la caja, entrada de cables de control en el lado opuesto.
Las pruebas validan que las medidas de supresión, conexión a tierra y encaminamiento funcionan realmente en condiciones operativas.
Pruebas de inmunidad previas a la puesta en servicio
Cuando se disponga de equipos de prueba, aplique las pruebas de inmunidad normalizadas por IEC 61000-4-4 inmunidad a transitorios eléctricos rápidos:
Método del osciloscopio in situ
La mayoría de los emplazamientos carecen de generadores de pruebas CEM. Un osciloscopio portátil proporciona una verificación práctica:
Para una bobina de disparo de 220 VDC con umbral de captación 70% (154 V), el ruido aceptable es de aproximadamente 30 V de pico.
Documentar el rendimiento de referencia
Registre las formas de onda durante las operaciones más desfavorables: conmutación de baterías de condensadores, arranque del motor, eliminación de averías. Archívelas como prueba de la puesta en servicio y futura referencia para la resolución de problemas.
Situación
Una explotación minera experimentó disparos inexplicables del VCB en un alimentador de trituradora de 800 kW cada 3-7 días. No aparecían códigos de avería. El restablecimiento manual restableció el funcionamiento, pero se acumularon las pérdidas de producción.
Resultados de la investigación
Medidas correctoras
Resultado
Cero falsos disparos en 14 meses de seguimiento. El enfoque integrado, que aborda el enrutamiento, la supresión y la conexión a tierra de forma conjunta, tuvo éxito donde las soluciones anteriores de un solo punto habían fracasado.
Componentes de aparamenta XBRELE incorporan de fábrica un diseño preparado para la CEM:
Solicite las fichas técnicas de los productos o programe una consulta sobre EMC con los ingenieros de XBRELE para solucionar los problemas persistentes de falsos disparos en sus instalaciones de conmutación.
P1: ¿Qué causa los falsos disparos en las celdas de media tensión sin averías registradas?
R: Las interferencias electromagnéticas se acoplan al cableado de control e inyectan tensiones de ruido que superan los umbrales de captación de la bobina de disparo, provocando que el interruptor se active aunque no exista ningún fallo en el sistema eléctrico.
P2: ¿Cómo puedo determinar si la IEM es la causa de mis molestos disparos?
R: Mida el ruido diferencial a través de los terminales de la bobina de disparo con un osciloscopio durante las operaciones del equipo adyacente; un ruido superior a 20% de la tensión de captación mínima de la bobina indica riesgo de disparo inducido por EMI.
P3: ¿Debo utilizar MOV o diodos TVS para la protección de la bobina de disparo?
R: Los MOV son adecuados para las bobinas de disparo y cierre porque absorben una mayor energía transitoria; los diodos TVS responden más rápido pero manejan menos energía, por lo que son mejores para la protección de entrada de IED sensibles.
P4: ¿Por qué la conexión a tierra en cadena causa problemas en los circuitos de control?
R: Los puntos de tierra múltiples crean bucles en los que las corrientes circulantes durante los transitorios inducen tensiones diferenciales en los conductores de señal, lo que anula el rechazo del ruido que debería proporcionar una conexión a tierra adecuada.
P5: ¿Cuánta separación es necesaria entre los cables de control y de salida del variador de frecuencia?
R: Mantenga una separación mínima de 300 mm de los cables de salida del variador de frecuencia debido al contenido armónico PWM de alta frecuencia; los cables de alimentación estándar requieren una separación mínima de 100 mm de los conductores de control.
P6: ¿Pueden los núcleos de ferrita solucionar los problemas de EMI sin recablear?
R: Los núcleos de ferrita encajables proporcionan una reducción práctica del ruido en situaciones de reequipamiento, especialmente eficaces contra las interferencias en la gama de 1-30 MHz, aunque funcionan mejor combinados con una conexión a tierra adecuada que como soluciones independientes.
P7: ¿Con qué frecuencia deben inspeccionarse las medidas CEM tras su instalación?
R: Inspeccione anualmente las terminaciones de apantallamiento, el estado de los supresores y las conexiones a tierra; las conexiones de trenza flexible en entornos húmedos pueden requerir una verificación más frecuente debido al riesgo de corrosión.
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