Blindaje electromagnético de estaciones transformadoras

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Electromagnetic field protection for Electrical Substations

RESUMEN

Aunque los centros de transformación de energía eléctrica generan campos de naturaleza eléctrica y magnética, se pueden reducir considerablemente con un apantallamiento eficiente. Los nuevos compuestos derivados del Mumetal®, como Permalloy®, Vacoperm® y Vitrovac® permiten utilizar placas con menor grosor que las técnicas convencionales de blindaje electromagnético a base de gruesas planchas metálicas o pesadas estructuras de hormigón armado. Estas placas son particularmente útiles si se opta por realizar una política de prevención, ya que al instalarlas se disminuyen los valores máximos permitidos o valores frontera de las radiaciones, establecidos en la legislación vigente. Para comparar las influencias de los distintos materiales tanto en el apantallamiento estático como en el dinámico, se elaboran unas tablas a partir de la teoría que desarrolló a mediados del siglo pasado el investigador Heinrich von Kaden. Esta teoría se aplica tanto a estas nuevas planchas fabricadas con materiales de muy alta permeabilidad magnética, como a planchas de materiales no magnéticos como el cobre y el aluminio. La comparación de los distintos resultados obtenidos permite realizar la mejor elección a la hora de proyectar un blindaje de este tipo.

Palabras clave
Transformadores, campos magnéticos, campos eléctricos, Mumetal®

ABSTRACT

Although electrical substations generate electro magnetic fields, these fields can be considerably reduced with efficient shielding. Recently developed compounds derived from Mumetal®, such as Permalloy®, Vacoperm® and Vitrovac® permit the use of sheets of a lesser thickness than the conventional techniques of electromagnetic shielding based on thick metal plates or heavy reinforced concrete structures. These sheets are particularly useful if opting for a policy of prevention, as their installation diminishes the maximum permitted values or boundary values of radiations established by current legislation. To compare the influences of the different materials both in static shielding and dynamic shielding, tables are drawn up based on the theory developed in the middle of the last century by the researcher Heinrich von Kaden. This theory is applied both to these new plates manufactured with materials of very high magnetic permeability as well as to plates of non-magnetic materials such as copper and aluminium. The comparison of the different results obtained permits the best choice to be made when planning a protection of this type.

Keywords
Electrical substation, magnetic fields, electrical fields, MuMetal®

El objetivo de realizar un apantallamiento frente a los campos eléctrico, magnético y electromagnético en un determinado lugar es conseguir que sus valores sean amortiguados o reducidos a un valor por debajo del límite aceptado como valor frontera de dichos campos para que no sean perjudiciales a la salud ni nocivos para la actuación de otros equipos que se encuentren en su entorno. En la práctica nos encontramos instalaciones compuestas de transformadores, barras, y/o cables subterráneos trifásicos que transportan altas corrientes, pero que se encuentran a distancias relativamente cercanas a los espacios públicos.

Valores frontera

Los sistemas que generan, transmiten, distribuyen y transforman la energía eléctrica llevan asociado un campo magnético y eléctrico de frecuencia industrial, que en España es de 50 Hz. En particular, a estas bajas frecuencias son los campos magnéticos generados los más perjudiciales y nocivos para la salud. Los valores más altos de campo magnético producido se encuentran en las cercanías de las estaciones transformadoras, líneas aéreas, subterráneas y en los cables de distribución. El valor de dicho campo magnético debe permanecer por debajo de los límites establecidos en las reglamentaciones vigentes. En España, como se indica en el BOE, tras la puesta en marcha de la subestación, se deberá realizar un control de la radiación emitida en el ámbito cercano a la misma, con el fin de comprobar su correcto funcionamiento y revisar que se encuentra dentro de los niveles de seguridad recomendados. Las mediciones deberán tomarse de acuerdo con el procedimiento y la valoración marcada por la normativa vigente. Se deberá mantener, por tanto, una vigilancia y control periódico de las radiaciones emitidas por la subestación, y proponer que se efectúen lecturas de los niveles de radiación anualmente. Los resultados deberán ser remitidos a la Dirección General de Medio Ambiente, para comprobar y verificar el correcto funcionamiento de las instalaciones. En cualquier caso, a falta de una normativa estatal que establezca niveles de referencia admisibles, en evitación de riesgos interesa no sobrepasar los siguientes valores límite de exposición recomendados por la Internacional Radiation Protection Association (IRPA) y la International Comisión on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), organismos ambos vinculados a la Organización Mundial de la Salud.

En la tabla 1 se presentan los límites IRPA, en 2008, para la exposición a campos eléctrico y magnético:

Por tanto, el valor máximo de inducción magnética permitido en lugares de acceso público es de 100 μT.

En las subestaciones y centros de transformación nos encontramos con transformadores, conductores que transportan la corriente (barras), además de diversa aparamenta eléctrica (figura 1).

Si queremos ir más lejos de los simples valores frontera establecidos y hacer uso de medidas preventivas, podemos indicar que en algunos países latinoamericanos el valor frontera está establecido en 25 μT. Y más cercano a nosotros, en la comunidad europea, algunas naciones están estudiando el tema con objeto de disminuir los valores frontera. Un ejemplo sería el de la cercana Suiza, donde en las estaciones de transformación cercanas a viviendas y escuelas no se permiten valores superiores a 1 T de campo magnético como valor frontera.

En alta tensión se trabaja a 380 kV y en baja tensión a 400 V. Con estos valores trabajando a 50 Hz los campos eléctricos son más fáciles de apantallar sin grandes costes. Por el contrario, el campo magnético a esta baja frecuencia es más difícil de controlar y para realizar un apantallamiento eficaz hay que realizar mayores inversiones. En las tablas 2 y 3 tenemos representados, respectivamente, los valores que podemos medir tanto de campo magnético como de campo eléctrico a una determinada distancia.

Los valores obtenidos están por debajo de los valores frontera de 100 μT para el campo magnético y 5 kV/m para el eléctrico, sobre todo si nos alejamos un mínimo de 10 metros de las líneas conductoras. Sin embargo, en una subestación tendremos no sólo los campos magnéticos producidos por los conductores, sino también los producidos por los transformadores, de modo que esta superposición de efectos puede dar lugar a campos mayores que el estipulado como valor frontera.

Es decir, en una subestación transformadora a dos metros de distancia podemos tener un campo magnético producido por el conjunto de conductores en función de la corriente del orden de 50 μT, al que habrá que sumar el producido por los transformadores presentes que si son de 1.000 kVA, fácilmente pueden dar valores superiores a los 60 μT, y su suma es superior al valor frontera de 100 μT.

Por física sabemos que el campo magnético producido por un conductor viene dado por la expresión:

B= μ0I / 2π R

Donde I representa la corriente que pasa por el conductor y R la distancia al mismo de un punto en su entorno, donde calculamos el campo magnético existente de inducción B. En las subestaciones y centros de transformación nos encontramos con sistemas trifásicos de distribución de corriente, complicándose más el problema de calcular el campo producido en su exterior. No obstante podemos utilizar la siguiente expresión:

B=K μ0I a / 2π R2

En la que K representa una constante y «a» la distancia de separación entre los conductores de la línea trifásica.

En general, el campo magnético generado por líneas trifásicas y su dependencia con el número de conductores, fases y disposición geométrica es complicado de determinar, así lo intuyó Buchholz cuando en 1937 intentó dar una solución analítica al problema.

Al realizar la tabla 4, vemos que para distintas potencias y disposición de conductores en triángulo nos da el campo a un metro de distancia.

Estos valores están por debajo del valor frontera, pero si por prevención queremos disminuir esos valores, necesitaremos apantallar la zona. A este efecto se pueden utilizar pantallas o blindajes basados en placas de materiales conductores ferromagnéticos y amagnéticos de diferentes características mecánicas y eléctricas.

Conceptos sobre apantallamiento

Cuando se realiza el apantallamiento frente a campos de naturaleza eléctrica, magnética electromagnética, en adelante los designaremos como CEMEM, hay varias magnitudes del material de apantallamiento que determinan su efectividad. Estas magnitudes son el grosor de la chapa empleada, su conductividad y sus permeabilidades eléctrica y magnética.

A la frecuencia de trabajo de 50 Hz los CEMEM se descomponen sólo en dos, uno eléctrico de fácil atenuación y otro magnético particularmente problemático y de atenuación más laboriosa.

En las proximidades de líneas de alta tensión, como muestra la figura 2, se genera un campo eléctrico que actúa como el producido entre las placas de un condensador en el que una de sus placas o electrodo es la propia línea y el otro electrodo es el cuerpo de la persona que está en su proximidad y, lógicamente, esto ocurre aunque sobre la línea no circule corriente alguna, pues como sabemos el campo eléctrico sólo depende del potencial (U) de la línea y de su distancia (d) a la misma viniendo relacionadas por la expresión:

E=U/d

Para apantallar este tipo de campo sólo tendremos que interponer entre la persona y la línea cualquier tipo de chapa metálica, de suerte que ahora el otro electrodo para cerrar las líneas de campo eléctrico será la chapa metálica, quedando la persona apantallada de este campo. Un caso particular de este tipo de apantallamiento es conocido como jaula de Faraday. Un apantallamiento de este tipo es efectivo para el campo eléctrico, pero no lo es contra el campo magnético.

Denominemos Ci al campo interno presente en un local, y Cex al campo externo al local que queremos apantallar. El amortiguamiento que se produce viene dado por la expresión:

Amortiguación = 20 log10 ( Ci/Cex) = dB

Como ya lo dejase patente Kaden en su teoría formulada en 1959, cuando en los CEMEM predomina la transmisión en forma de onda electromagnética, son varios los fenómenos que se producen como reflexión, refracción y transmisión. De forma que si llamamos:

AdB -Atenuación por absorción expre-
sada en decibelios.
RdB -Atenuación por reflexión expresada
en decibelios.
TdB -Atenuación por transmisión expre-
sada en decibelios.

La expresión anterior, expresada en decibelios, la podemos poner como:

Amortiguación = AdB + RdB + TdB

Las pérdidas por absorción dependen del grosor de la chapa utilizada para realizar el apantallamiento, así como de la frecuencia de trabajo además de su conductividad eléctrica y permeabilidad magnética. Por lo que:

AdB = f (grosor, frecuencia, μ, σ )

Las pérdidas por reflexión, a diferencia de la anterior, no dependen del grosor de la chapa utilizada, sino de la distancia a dicha chapa. Por lo que

RdB = f (distancia, frecuencia, μ, σ )

Por último, las pérdidas por transmisión dependen del grosor de la chapa utilizada para el apantallamiento y de la profundidad de penetración de la misma por el efecto pelicular o efecto Skin. De forma que

TdB = f (grosor, profundidad de penetración)

En la tabla 5 tenemos una relación de distintos materiales con sus atenuaciones para distintos grosores y a la frecuencia indicada. Unas tablas interactivas similares se encuentran en la web: www.telefonica.net/web2/blinmag.

La atenuación por absorción crece con el aumento del grosor de la chapa empleada y, en general, para un grosor de chapa dado es mayor en aquellos materiales con una elevada permeabilidad magnética. Los materiales amagnéticos como el cobre y el aluminio son los que presentan valores menores de atenuación por absorción. Una cosa similar, aunque en menor grado, ocurre con la atenuación por reflexión.

En cuanto a la atenuación por transmisión, aparecen algunos resultados con valor negativo. Esto se debe al efecto de aumento de campo radiado por el propio apantallamiento hacia el exterior, como consecuencia de efectos de reflexión secundaria en la frontera interior de la plancha utilizada para el apantallamiento.

Los materiales como el Mumetal® tienen un excelente comportamiento ante el apantallamiento en las bajas frecuencias, gracias a sus propiedades, que combinan una permeabilidad magnética muy alta, con una histéresis muy pequeña. Sin embargo, este material tiene el inconveniente de ser muy delicado ante los procesos de mecanizado que hacen que disminuya drásticamente su permeabilidad. Para tratar de evitar este problema, se le aplican tratamientos de recocido con car-bono y azufre, lo que repercute en un elevado coste de la plancha de Mumetal®. Para solucionar estos costes elevados se utilizan planchas formadas por materiales que presentan una elevada permeabilidad relativa del orden de 4.000, junto con otros materiales de elevada conductividad. Estas planchas no poseen el alto poder de apantallamiento del Mumetal®, pero aúnan, gracias a su composición dual, un buen comportamiento tanto para apantallamientos de baja como de alta frecuencia a un precio más asequible.

Teoría de Kaden

Una visión útil al problema del apantallamiento fue dada por Kaden en 1959 al tratar de simplificar el problema trabajando con el factor de apantallamiento S, definido como la relación existente entre los campos interior y el exterior al recinto apantallado (Ci/Cex). Siendo el amortiguamiento o atenuación del apantallamiento as la relación:

as = 20 log S = 20 log (Ci/Cex)

Kaden utilizó dos coeficientes de apantallamiento uno estático para frecuencia nula o muy baja y otro dinámico para altas frecuencias.

El factor de apantallamiento estático lo representamos por Sest, y al dinámico por Sdin . El estático depende de la permeabilidad magnética relativa, del grosor de la chapa empleada y de la geometría del local apantallado. Este factor se aplica cuando la permeabilidad de la pantalla es mucho mayor que la unidad y su grosor, que tiene que ser menor o igual a la penetración, y no supere los dos milímetros. Para este caso pondremos:

Sest = f ( μ, grosor, dimensiones del local)

Por otra parte, el factor de apantallamiento dinámico se aplica cuando el blindaje se realice con materiales amagnéticos y su grosor sea menor que la penetración y no supere los 21 mm. En este caso:

Sdin = f (grosor, dimensiones del local, penetración)

Este apantallamiento dinámico se produce por la inducción en las superficies metálicas de corrientes parásitas que se cierran en anillo por la totalidad de las superficies metálicas de apantallamiento. Aumenta su factor de apantallamiento al disminuir la profundidad de penetración, que es tanto como utilizar planchas con elevada conductividad y permeabilidad magnética.

Cuando aumenta el tamaño del apantallamiento, el factor S dinámico aumenta pero el S estático disminuye. Es decir, para apantallamientos magnetostáticos son mejores los apantallamientos pequeños, y peores los producidos por corrientes parásitas. Resulta imposible realizar un pronóstico exacto del factor de apantallamiento S. En muchos casos se habla del factor de apantallamiento total como una función combinada de los factores estático y dinámico.

En su teoría, Kaden utiliza apantallamientos realizados con materiales amagnéticos como cobre, aluminio, materiales con cierto magnetismo como el hierro y el acero y también planchas de materiales de alta permeabilidad magnética como Mumetal®, Vitrovac®, μShield®, etc.

Existen en el mercado unos materiales que designaremos como «compuesto» formados por una mezcla de materiales de muy alta permeabilidad tipo Mumetal® y otros de gran conductividad como el aluminio. Este tipo de materiales son ideales para el apantallamiento dinámico, pues según lo dicho anteriormente aúnan en sí mismos una elevada permeabilidad magnética junto con una gran conductividad.

En las inmediaciones de una estación transformadora fácilmente podemos encontrar valores de campo magnético entre 10 y 40 T, valores estos que están por debajo del valor frontera de 100 μT establecido en España. Sin embargo, si por motivos de prevención adoptamos valores frontera inferiores y para ciertos entornos como viviendas y escuelas adoptamos el valor de 1 T utilizado en la cercana Suiza, entonces sí tendríamos que utilizar planchas de materiales con una alta permeabilidad magnética como mínimo de entre 8.000 y 20.000 para conseguir un grado de apantallamiento aceptable con valores de campo inferiores a 1 μT. Esto implicaría, lógicamente, un aumento del coste de apantallamiento. Por poner un ejemplo una reducción del campo producido en una estación con un transformador de 1.000 kVA lleva un coste mínimo de unos 12.000 €, y para estaciones que dispongan de dos transformadores de 630 kVA un mínimo de 40.000 €, dado el elevado coste de las planchas de materiales de alta permeabilidad.

Ejemplo de apantallamiento

Supongamos que queremos apantallar una estación transformadora de dimensiones A x B x C expresadas en metros: 3 x 4 x 4 para reducir las emisiones causadas por su transformador de 630 kVA y diverso aparallaje eléctrico. Un transformador de tales características puede generar fácilmente en alguna de las direcciones un campo magnético del orden de 70 T a un metro de distancia.

Además, si consideramos un funcionamiento al 60% con 400 voltios de tensión, sus barras trabajarán aproximadamente con 546 amperios, por lo que según la tabla 4, a un metro de distancia para un transformador de 630 kVA tendremos del orden de los 3 T producidos por las barras más los 70 μT del propio transformador, lo que significa que habrá como campo máximo el alguna de las direcciones:

BMAX a un metro = 70 μT+3 μT= 73 μT

Este valor no supera la normativa, por lo que desde el punto de vista de lo actualmente legislado no hay problema. Empero, si queremos utilizar medidas preventivas y establecemos particular-mente un valor frontera de 10 T, tendremos que alejarnos a mayores distancias o utilizar algún tipo de blindaje. Utilizaremos para este fin cinco planchas dispuestas a modo de paralepípedo como muestra la figura 3.

Para distinto tipo de material empleado podemos indicar la siguiente tabla 6 con distintos resultados aproximados por la teoría de Kaden. En la web: www.telefonica.net/web2/blinmag podemos encontrar una tabla interactiva de este tipo.

Los valores obtenidos por aplicación de la teoría de Kaden tienen como premisa para que se pueda aplicar con éxito que el grosor de la plancha metálica empleada tiene que ser menor que la profundidad de penetración por efecto pelicular. A la vista de los resultados, vemos que para obtener conclusiones similares utilizando planchas de materiales amagnéticos como el aluminio o el cobre (que al utilizar materiales con elevada permeabilidad) es necesario tirar de mayores grosores de chapa, lo que encarece la instalación. Utilizando materiales compuestos derivados del Mumetal® los grosores se reducen drásticamente, lo cual lleva asociada una mayor facilidad en el transporte y la instalación. Esto es en teoría, pues en la práctica cuando el local que hay que pantallar es de grandes dimensiones con un radio estimado superior al metro, como es el caso del ejemplo, los valores anteriores sólo son factibles si el blindaje se realiza con materiales de muy alta permeabilidad de tipo Mumetal® o compuesto derivados de este, sobre todo si se trabaja en bajas frecuencias. Un recinto apantallado de esta forma se presenta en la figura 4.

Como el Mumetal® a pesar de tener un comportamiento excelente es demasiado caro por el delicado proceso de fabricación que necesita, y al no poder soportar procesos de mecanizado por disminuir mucho sus características, podemos utilizar materiales compuestos de trazas de Mumetall® y otro metal buen conductor como el aluminio, dando lugar a un material que hemos designado como «compuesto» también de excelente resultado; según la tabla 6 para un grosor de 1 mm obtendríamos un factor de apantallamiento dinámico de 28. Es decir:

B exterior = B interior / S = 73 μT / 28 ≈ 3 μT

Siendo el amortiguamiento dinámico obtenido = 20 log 28 = 29 dB

Si utilizamos un grosor mayor, como el indicado en la tabla, de 5 mm obtenemos:

B exterior = B interior / S = 73 μT / 139 ≈ 0,5 μT

Siendo el amortiguamiento dinámico obtenido en este caso = 20 log 139 = 43 dB

Conclusiones

Como se ha visto en el ejemplo, el factor de apantallamiento se hace mayor al utilizar espesores mayores de chapa y, como consecuencia, es mayor la amortiguación o atenuación del campo magnético. Sin embargo, con espesores mayores a la profundidad de penetración del campo, producida por efecto pelicular, no se producirán mejoras notables en la reducción del campo magnético.

Además, cuando se emplean placas metálicas amagnéticas, en las que la permeabilidad magnética relativa es próxima a la unidad, se obtienen mejores apantallamientos cuanto menor sea la resistividad eléctrica de la placa. Así lo muestra la tabla 6, pues los resultados obtenidos para la chapa de cobre son superiores a los obtenidos con chapa de aluminio. En estos materiales amagnéticos si la penetración es más grande que el grosor de la chapa utilizada, desaparece el efecto del apantallamiento magnetostático y sólo prevalece el producido por corrientes parásitas. Además, si se utilizan para realizar el blindaje materiales amagnéticos como cobre, aluminio, etc. o ferromagnéticos con permeabilidad relativa menor de 1.000, como planchas de hierro o de acero normal o galvanizado, se puede mejorar el apantallamiento utilizando placas que según las características del material empleado tengan mayor conductividad eléctrica.

Por otra parte, si para realizar el blindaje se emplean chapas ferromagnéticas de elevada permeabilidad relativa, tipo Mumetal® o planchas de material compuesto, la resistividad eléctrica de la misma no produce efectos significativos en la atenuación del campo magnetostático. La elevada permeabilidad magnética es el factor determinante. Y únicamente son factibles en la práctica este tipo de blindajes cuando el radio estimado del local que hay que blindar supera el metro, es decir, cuando son grandes las dimensiones del local son más eficaces los apantallamientos realizados con planchas de materiales tipo compuesto derivados del Mumetal® y, por tanto, de elevada permeabilidad magnética.

En todos los casos hay que tener en cuenta que el blindaje dinámico sólo será posible si las planchas que lo forman tienen sus cantos y esquinas unidas entre ellas, con el objeto de que puedan circular en anillo las corrientes parásitas que se forman y que son las determinantes del fenómeno de apantallamiento dinámico.

Bibliografía

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www.telefonica.net/web2/blinmag

www.sv-otto.de

Seminarios IEV (Institut für Elektromagnetische Verträglichkeit ) GmbH

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