Protección contra rayos y sobretensiones de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales – EDAR

Los recursos cada vez más escasos de agua potable exigen una gestión muy eficiente de los mismos, por lo que las plantas depuradoras (EDAR) tienen una importancia capital en el ciclo del agua. La alta eficiencia y rendimiento que se exige a las EDAR requiere la optimización técnica de los procesos que en ellas se realizan, a la par que la máxima disminución de los costes habituales de servicio. Por ello se invertirán sumas considerables de dinero de los PERTE con objeto de dotarlas de dispositivos electrónicos de medida, sistemas electrónicos descentralizados de control y automatización y sistemas digitales para la optimización de los procesos y la eficiencia energética. 

Estas plantas se encuentran habitualmente en las afueras de los pueblos y ciudades, en zonas de montaña, en las cuales debido a que los equipos se encuentran al aire libre, existe aún más riesgo de influencias e interferencias a causa de descargas de rayo o sobretensiones.

El aumento de nuevos sistemas electrónicos que presentan una reducida resistencia frente a sobretensiones transitorias sumado a las características de construcción y geográficas de las instalaciones, con los dispositivos de medida y los controles repartidos por la misma hace que pueda disminuir la disponibilidad de la planta si no se adoptan las medidas adecuadas de protección.  

Las estadísticas de las compañías de seguros confirman que las sobretensiones son la causa principal de daños en equipos electrónicos, tanto las de descargas atmosféricas como las que se producen debido a procesos de conmutación de dispositivos como interruptores, variadores, etc.

Fig. 1. Esquema de una planta depuradora

Protección integral

Una protección correcta y eficaz exige la consideración del principio de protección integral, en el que se distinguen básicamente dos partes: protección externa de las edificaciones e instalaciones contra descargas directas de rayos, incluyendo la instalación de puesta a tierra necesaria para dispersar la corriente del rayo y  protección interna de las redes técnicas de energía y de datos que acceden a los equipos y cuyo principal objetivo es reducir los efectos eléctricos y magnéticos de las corrientes de rayo dentro del espacio a proteger.

La descarga del rayo produce una elevación del potencial del terreno a valores muy altos que, a través de la instalación de puesta a tierra, llega a los consumidores conectados a la misma. Además, la caída de un rayo lleva asociada un campo electromagnético muy potente que genera sobretensiones inducidas en la instalación a proteger que afectan gravemente a los equipos e instalaciones existentes. La protección externa puede ser o no necesaria, pero es siempre insuficiente y se ha de combinar con la protección interna.

Concepto de zonas de protección contra el rayo

Para conseguir la mejor protección, tanto desde el punto de vista técnico como económico, la planta depuradora debe dividirse en zonas de protección contra rayos (LPZ. Lightning Protection Zone). Las medidas de protección, tales como el sistema de protección externa contra el rayo, el apantallamiento de cables y los dispositivos de protección contra sobretensiones transitorias, determinan las zonas de protección contra el rayo.

La normativa UNE EN 62.305-1 (Principios generales) define las siguientes LPZ, en relación con la amenaza de rayo.

• LPZ 0A zona expuesta a las descargas directas y a los campos electromagnéticos del rayo. Los sistemas internos pueden estar sometidos a la corriente total o parcial del rayo.

• LPZ 0B zona protegida de las descargas directas pero en la que el riesgo viene dado como consecuencia de los campos electromagnéticos generados por la descarga del rayo. Las instalaciones interiores pueden verse sometidas a corrientes parciales del rayo.

• LPZ 1 zona en la que la onda de corriente tipo impulso está limitada por la distribución de la corriente y por los dispositivos de protección contra sobretensiones transitorias (en adelante, DPS) colocados en el paso de una zona a otra. 

• LPZ 2 zona en la que la onda de corriente tipo impulso puede limitarse aún más por medio de la distribución de la corriente y por la instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones transitorias dispuestos en los pasos de una a otra zona de protección. 

Una vez definidas las zonas de protección para la planta depuradora, a continuación debe realizarse el análisis de riesgos para cada LPZ y para los tipos de daños más relevantes, según norma UNE EN 62.305-2 (Evaluación del riesgo). 

De acuerdo con el concepto de zonas de protección contra rayos según UNE EN 62.305-4 (Sistemas eléctricos y electrónicos en estructuras), todos los cables que pasen de una zona de protección a otra tienen que estar provistos de las correspondientes medidas de protección contra corrientes de rayo y sobretensiones.

En el caso del edificio de control de una planta depuradora, se pueden distinguir las siguientes zonas de protección contra rayos LPZ:

• Sistema de adquisición en la sala de control (LPZ 2)

• Medición de oxígeno en la cuba de aireación (LPZ 1)

• Interior de la sala de control (LPZ 1). 

Fig. 2: División del edificio de control de una planta depuradora en zonas de protección contra rayos (LPZ)

Medidas de protección contra rayos y sobretensiones en una planta depuradora tipo

El control y gestión de la estación depuradora se encuentra centralizado en el edificio principal de la planta, llamado a partir de ahora edificio de control. Debido a las extensas conexiones de cableado con las subestaciones y los puntos de medida, tanto corrientes parciales de rayo como sobretensiones pueden penetrar en los tendidos de comunicaciones, tuberías y de suministro de energía, ocasionando destrucciones en la instalación y fallos en el funcionamiento de la planta. 

Asimismo, la propia planta depuradora debe protegerse contra daños causados por el fuego (descargas directas de rayo) y los sistemas eléctricos y electrónicos (sistema de control y automatización, sistema de actuación a distancia) deben protegerse contra los efectos del campo electromagnético del rayo (LEMP).

Fig. 3: Distribución de los cableados en la planta depuradora

Con objeto de minimizar el riesgo, se debe aplicar el concepto de protección integral contra rayos y sobretensiones, mediante el diseño e instalación de:

• Sistema de protección externa contra el rayo con clase de protección III según UNE EN 62305-3 (Daños físico a estructuras y riesgo humano)

• Sistema de protección interna, mediante descargadores de corriente de rayo y sobretensiones según EN 61643-11 para las líneas de suministro de energía y según EN 61643-21 para los cables de transmisión de datos (Cables MCR y de telecomunicaciones).

Sistema de protección externa contra el rayo

La protección contra una descarga directa de rayo se realiza mediante el diseño de una jaula de Faraday y puntas captadoras aisladas, manteniendo las distancias de separación calculadas según UNE EN 62.305 y aplicando el método del ángulo de protección o de la esfera rodante según la clase de protección III exigida. Utilizando un sistema de protección aislada en los puntos de medida, en caso de una descarga directa de rayo en alguno de ellos, se impedirá que corrientes parciales de rayo penetren en el edificio y causen daños en las instalaciones.

Para el sistema de puesta a tierra se recomienda la realización de anillos de tierras para cada una de las edificaciones o estructuras, y unirlos entre sí, formando una red de tierras que facilite la dispersión de la corriente de rayo y evite al máximo las diferencias de potencial entre dos instalaciones, para evitar que la corriente fluya de una instalación a otra. La equipotencialidad del sistema de tierras es fundamental para el buen funcionamiento del sistema de protección.

Fig. 4 Distribución del sistema de puesta a tierra de la planta depuradora

Equipotencialidad contra rayos de todos los cables que entran del exterior

Todos los elementos conductores que entren a los edificios, casetas o cuadros exteriores de la planta depuradora deben integrarse en el sistema equipotencial. Los requerimientos de equipotencialidad se cumplen mediante una conexión directa de todos los conductos metálicos y mediante una conexión indirecta de los sistemas en tensión a través de descargadores al sistema de puesta a tierra. Los dispositivos de protección contra sobretensiones Tipo 1, tanto para los sistemas de energía como para los sistemas de comunicaciones y datos, deben poseer capacidad de descarga de corriente de rayo con forma de onda 10/350. El sistema equipotencial contra rayos debe instalarse preferentemente cerca de la entrada al edificio o estructura para prevenir la entrada de corrientes de rayo en su interior.

La aplicación de un sistema equipotencial en la totalidad de la planta depuradora evita diferencias de potencial entre partes conductoras tanto internas como externas. Asimismo, la estructura metálica del edificio, tuberías, depósitos, etc, deben incluirse en el sistema equipotencial, para evitar diferencias de tensión incluso en caso de fallo. 

Fig. 5: Equipotencialidad contra rayos según UNE EN 62.305-3

Sistema de protección interna de redes de energía y líneas de transmisión de datos

En el proceso de selección de las protecciones adecuadas para cada instalación rigen los principios de protección escalonada y coordinación energética recogidos en la normativa nacional e internacional vigentes. Así, en virtud del primero se distinguen tres tipos de protección:

• Tipo 1 o protección basta (REBT) Son descargadores desarrollados para dar protección frente a corrientes de rayo. Se instalan lo más cerca de la acometida en baja tensión.

• Tipo 2 o protección media (REBT). Son descargadores destinados a la protección de instalaciones y equipos frente a sobretensiones (originadas por descargas de rayo indirectas, conmutaciones en alta, inducciones...). Se instalan en los cuadros de distribución.

• Tipo 3 o protección fina (REBT). Son descargadores de sobretensiones para protección específica de equipos finales. Se instalan lo más cerca posible del equipo a proteger.

En el cuadro general de baja tensión del edificio de control de la planta depuradora, primer escalón de protección (zona de protección contra rayo 0A – 1), debe instalarse un descargador combinado contra rayos y sobretensiones Tipo 1 modelo DEHNventil® M TT 255, en cumplimiento con los requerimientos para protección contra rayos según UNE EN 62305-3.

Fig 6: Descargador combinado en CGBT

Los dispositivos de protección contra rayos tipo 1 deben ser capaces de derivar a tierra corrientes de rayo con onda 10/350 sin destruirse. Por eso, una de las características más importantes que los define es su capacidad de derivación. En segundo lugar, es de vital importancia que los descargadores de Tipo 1 ofrezcan una gran capacidad de limitación de las corrientes consecutivas de red (para corrientes de cortocircuito muy elevadas, hasta 50 kAeff y una desconexión selectiva sin disparo de fusibles de 20 A gL/gG), lo cual evita el fallo de suministro eléctrico, garantizando al máximo la continuidad de servicio de las instalaciones eléctricas. Estas prestaciones tienen gran relevancia pues aumentan extraordinariamente la seguridad de funcionamiento del protector, alargan su vida útil y contribuyen decisivamente a asegurar la continuidad de servicio de la instalación.

Además, en el caso del DEHNventil, a estas cualidades deben añadírsele las prestaciones propias de un descargador deal tratarse de un descargador combinado 1+2, se protegen directamente los equipos finales sin necesidad de tener en cuanta distancias de desacoplo que garanticen la coordinación energética con otros descargadores instalados aguas abajo. Su diseño basado en vías de chispas encapsuladas, precableado en función del sistema de red, con módulos enchufables con visualización y monitorización del estado de funcionamiento del descargador y resistentes a vibraciones, permiten una sencilla integración de este dispositivo en cualquier cuadro eléctrico sin necesidad de grandes espacios y siendo compatibles con el resto de la aparamenta.

El cuadro de control y mando del edificio de control puede albergar un automáta programable (PLC), el sistema de adquisición de datos de los puntos de medida distribuidos por la planta, las comunicaciones y el mando y control de los motores.

Fig. 7. Cuadro de control y mando en el edificio de control

En la entrada a este cuadro, segundo escalón de protección (zona de protección contra rayo 1 – 2), debe instalarse para la protección de la línea de suministro de energía de 230v un descargador contra sobretensiones Tipo 2 modelo DEHNguard® M 2P TT 255. 

Los dispositivos de protección contra sobretensiones tipo 2 deben ser capaces de derivar a tierra, varias veces sin destruirse, corrientes de choque con onda 8/20. Concretamente, al menos 20 veces su capacidad de derivación nominal. Por eso es muy importante que estos equipos ofrezcan una alta capacidad nominal de descarga. Su diseño está basado en varistores de óxido de zinc, al cual se asocia un dispositivo Termodinámico de vigilancia y separación, que garantiza la desconexión del varistor en caso de sobrecarga y al final de su vida útil. 

La aparición de la nueva versión de un descargador tipo 2 (DEHNguard® ACI) sin necesidad de fusible previo facilita aún más su integración en los cuadros al incorporar una importante reducción de espacio. Actualmente, son de frecuente utilización los denominados descargadores combinados. Se trata de descargadores de Tipo 1 que son capaces de ofrecer, además, las prestaciones propias de un descargador de Tipo 2 en términos de seguridad, nivel de protección y tiempo de respuesta. Este tipo de dispositivos integra, en un sólo elemento, ambos tipos de protección sin necesidad de guardar distancias de desacoplo. Es decir, aportan la necesaria coordinación energética

Concretamente, en el caso del DEHNventil, su diseño basado en vías de chispas encapsuladas y su precableado en función del sistema de red, permiten una sencilla integración de este dispositivo en cualquier cuadro eléctrico sin necesidad de grandes espacios y siendo compatibles con el resto de la aparamenta. Además, dispone de módulos enchufables con visualización y monitorización del estado de funcionamiento del descargador incluido el módulo N-PE

El resto de las líneas de señal que acometen a las tarjetas PLC de este cuadro, procedentes de los puntos de medida situados en el tanque de tormentas, estación de bombeo, depósito de aguas negras, balsas de decantación, balsa de nitrificación, etc, deben protegerse mediante los mismos descargadores Tipo 1 modelo Blitzductor® XT que están instalados en dichos puntos de medida. El apantallamiento de los cables de señal debe ponerse a tierra con baja impedancia (Fig. 9)

Fig 9: Protección líneas de señal mediante Blitzductor® XT

Estos descargadores combinados de corriente de rayo y sobretensiones son capaces de derivar corrientes de rayo onda 10/350 para la protección de los buses de comunicación Ethernet, DP y PA, las señales 0-20 mA y las señales de telecontrol y aseguran un concepto completo de protección para el cableado del sistema de comunicaciones. En un reducido espacio de 12mm se integra un circuito de protección hasta 4 hilos, la puesta a tierra directa e indirecta del apantallamiento y el novedoso sistema LifeCheck, que detecta la sobrecarga térmica y eléctrica de los componentes, permitiendo así el mantenimiento preventivo de los descargadores.

Estaciones de medida / puntos de medida

En las diferentes fases del proceso de depuración del agua, desde el tanque de tormentas y la llegada de aguas negras, hasta la emisión del efluente a ríos, embalses o mares, las estaciones de medida recogen una serie de datos mediante equipos de instrumentación muy sensibles, tales como medidores de caudal, de presión,  de temperatura, de nivel, de O2, de PH…

Los datos recogidos en cada una de estas fases deben ser enviados de forma segura al edificio de control para su tratamiento y actuación. En cada estación de medida debe protegerse la línea de suministro de energía de 230v procedente del edificio de control mediante un descargador contra sobretensiones Tipo 2 modelo DEHNguard® M 2P TT 255.

Los buses de comunicación Ethernet, DP/PA, las líneas de señal 0-20mA y las señales de telecontrol deben estar protegidas con los mismos modelos de descargador Blitzductor® XT seleccionados para el cuadro del edificio de control.

 

Fig 10: Protección de los equipos de instrumentación y las líneas de señal en una estación de medición 

 

Fig 11: Protección en ambiente EX

 

Fig 12: DEHNpipe protege la instrumentación

El apantallamiento del cable entre el sensor por ultrasonidos y el transductor debe estar puesto a tierra en ambos extremos. El sensor se protege mediante el descargador modelo DEHNpipe®, especialmente diseñado para equipos de instrumentación, roscado en el propio sensor y puesto a tierra a través de la propia carcasa del equipo de instrumentación. 

En ambientes explosivos, como por ejemplo en el depósito de aguas negras, deben utilizarse descargadores diseñados para tal fin, acreditados con la correspondiente certificación ATEX. 

Conclusión

La protección contra rayos y sobretensiones es una inversión que siempre resulta rentable, porque tiene como objetivo la protección de las personas, de su trabajo, de las instalaciones y los equipos. Las sobretensiones representan un grave peligro y pueden suponer pérdidas muy importantes: coste por reparación y reposición de equipos; pérdidas por falta de continuidad de servicio; imagen,… Las medidas de protección contra rayos y sobretensiones tienen un carácter preventivo. Hay que anticiparse al daño, aportando eficiencia, rentabilidad y seguridad a la instalación.

Por eso a la hora de decidir las medidas de protección y seleccionar las protecciones sobre las que hacer descansar nuestra seguridad hay que ser rigurosos y exigir de las mismas las mayores garantías posibles.

 

Bibliografía

1. UNE EN 62.305. Protección contra el rayo

2. Publicación nº DS702/2010/ES. Manuel de protección contra rayos

3. Publicación nº DS107/E/0911. Protección contra sobretensiones: Seguridad en plantas depuradoras