fase b fase c Ic Ib Ia conductor puesto a tierra sistema de electrodos puente de unión principal

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1 Terras eléctrcas A. Llamas, Jorge de los Reyes P. Maestría en Ingenería Energétca ITESM Campus Monterrey, E. Garza Sada 2501 Sur, C.P , Monterrey, N.L. Tel.: , Fax: (8) , emal: 1. Introduccón Se explcan las razones de poner a terra hacendo dstncón entre el aterrzaje del sstema y el aterrzaje del equpo. Se presentan y se lustran las defncones de los sguentes térmnos: terra eléctrca, aterrzado o puesto a terra, efectvamente aterrzado, conductor puesto a terra, conductor de puesta a terra de equpo, equpo de desconexón prncpal, conductor del electrodo de aterrzaje, puente de unón prncpal y sstema dervado separadamente. Estas defncones son de acuerdo al NEC 1996 [1]. Se descrben los electrodos naturales y los artfcales, lustrando el concepto de cuerpo de terra del electrodo. Se muestran dos de los problemas ocasonados por el uso de electrodos de aterrzaje aslados. Se muestra la necesdad de unr todos los electrodos en un edfco. 2. Justfcacón de las puestas a terra El NEC 100 defne terra eléctrca ground como una conexón entre el crcuto eléctrco y terra (puesta a terra del sstema) o entre el equpo y terra (puesta a terra del equpo), en caso de que la terra no esté dsponble, la unón es con algún otro elemento conductor que susttuya a la terra (en el caso de un automóvl la terra es el chass). Convene dstngur entre la puesta a terra del sstema de almentacón y la puesta a terra del equpo. La puesta a terra del sstema de almentacón eléctrca consste en unr al sstema de electrodos uno de los conductores de la acometda o uno de los conductores que salen del secundaro de un transformador; a este conductor se le conoce como conductor puesto a terra. La fgura 1- a) muestra un sstema de almentacón no puesto a terra, la fgura 1 b) corresponde a un sstema de almentacón eléctrca puesto a terra. El puente de unón prncpal establza la dferenca de potencal entre el sstema de almentacón y terra. El conductor puesto a terra tene un voltaje cero o de unos cuantos volts con respecto a terra y esa es precsamente la funcón de la puesta a terra del sstema de almentacón. transformador transformador Y Y fase a fase a fase b fase b fase c fase c Ic Ib Ia conductor puesto a terra Ic Ib Ia sstema de electrodos puente de unón prncpal a) sn puesta a terra b) puesto a terra Fgura 1. Sstema de almentacón eléctrca 20

2 De acuerdo al NEC 250-1, FPN No.1 (FPN = Fne Prnt Note ). Los sstemas de almentacón se ponen a terra para a) lmtar los sobrevoltajes transtoros debdos a descargas atmosfércas, a manobras con nterruptores, b) para lmtar los voltajes en caso de contacto accdental del sstema de almentacón con líneas de voltaje superor y para establzar el voltaje del sstema de almentacón con respecto a terra. Puesta a terra de equpos. Los materales conductores (tuberías y gabnetes metálcos) que contenen conductores y equpo eléctrcos se ponen a terra para lmtar el voltaje a terra entre estos materales (NEC 250-1, FPN No.2). Los conductores de puesta a terra de equpo se unen al conductor puesto a terra para proporconar una trayectora de baja mpedanca a la corrente de falla, lo que facltará la operacón de las proteccones de sobrecorrente bajo condcones de falla a terra. La puesta a terra de equpos tene dos propóstos: a) lmtar el voltaje de los materales metálcos no portadores de corrente con respecto a terra y b) que en caso de falla a terra, opere la proteccón de sobrecorrente. Las fguras 2 a) y b) lustran un alambrado correcto y la forma en que opera la proteccón de sobrecorrente evtando que el chass se ponga a un voltaje pelgroso. La fgura 2 c) muestra la forma en que la falta de la puesta a terra pone en resgo la vda fase chass chass fase neutro neutro terra terra (a) Alambrado correcto. (b) La proteccón de sobrecorrente opera en caso de que el hlo vvo toque accdentalmente el chass. chass energzado jarp fase neutro terra (c) La ausenca de la puesta a terra de equpo es un pelgro de electrocucón Fgura 2. Puesta a terra de equpo. 21

3 3. Defncones Terra eléctrca ( ground ): Una conexón conductora, ntenconal o accdental, entre un crcuto o equpo eléctrco y la Terra ( earth ) o un cuerpo conductor que srve en lugar de ella. En el doma nglés se tenen ground y earth, mentras que en el español se tene terra, para evtar confusones convene emplear la expresón terra eléctrca. Puesto a terra o aterrzado ( grounded ). Conectado a la Terra o a algún cuerpo conductor que srva en lugar de ella. Efectvamente aterrzado ( effectvely grounded ). Conectado ntenconalmente a terra por medo de conexones de baja mpedanca y con capacdad de corrente sufcente para prevenr la formacón de sobrevoltajes transtoros que puderan resultar en resgos ndebdos al equpo o a las personas. Conductor puesto a terra o conductor aterrzado ( grounded conductor ). Un conductor del sstema de almentacón eléctrca que ntenconalmente se pone a terra. Conductor de puesta a terra de equpo ( equpment groundng conductor ). Conductor que conecta las partes metálcas no destnadas a transportar corrente (carcazas, gabnetes, charolas y tuberías) con el conductor puesto a terra, con el conductor del electrodo de aterrzaje o con ambos en el equpo de desconexón prncpal o en la fuente de un sstema dervado separadamente. Conductor del electrodo de aterrzaje ( groundng electrode conductor ). El conductor empleado para conectar el electrodo de puesta a terra al conductor de puesta a terra de equpo, al conductor puesto a terra o a ambos en el equpo de desconexón prncpal o en la fuente de un sstema dervado separadamente. Equpo de desconexón prncpal ( servce equpment ). Equpo requerdo par formar el control prncpal y medo de desconexón del sumnstro, usualmente consste en un nterruptor termomagnétco o un nterruptor de cuchllas y fusbles y sus accesoros, se localza cerca del punto de entrada de los conductores de almentacón a un edfco. Puente de Unón Prncpal ( man bondng jumper ). La unón o conexón del conductor puesto a terra con el conductor de puesta a terra en el equpo de desconexón prncpal. La fgura 3 lustra las defncones anterores. Tanto el conductor vvo como el conductor neutro portan corrente cuando la carga es almentada. Bajo condcones normales de operacón la corrente por el conductor de puesta a terra, por el conductor del electrodo de aterrzaje y por el puente de unón prncpal es cero; solo hay corrente en estos conductores en presenca de falla a terra. CFE conductor puesto a terra de acometda barra de neutros puente de unón prncpal barra de terras meddor conductor del electrodo de puesta a terra equpo de desconexón prncpal conductor vvo conductor puesto a terra conductor de puesta a terra electrodo de puesta a terra Fgura 3. Conductor puesto a terra, conductor de puesta a terra y puente de unón prncpal 22

4 Sstema dervado separadamente. Un sstema de almentacón ubcado dentro de la propedad en el cual la potenca se derva de un generador, de un transformador o de los devanados de un convertdor y no hay conexón drecta, ncluyendo un conductor sóldamente puesto a terra, a los conductores de almentacón de otro sstema. a) transformador trfásco - estrella Y x3 x2 x1 x0 b) transformador trfásco - x3 x2 x1 Ejemplos de sstemas dervados separadamente en transformadores son los sguentes: Los secundaros a) - estrella, b) -, c) monofásco de tres hlos, d) monofásco de dos hlos. Estas conexones se muestran en la fgura 4, los conductores secundaros que se pueden poner a terra aparecen en verde. Otros ejemplos de sstemas dervados separadamente son: a) un generador de emergenca con nterruptor de transferenca de cuatro polos, b) un UPS con bypass a través de transformador y, c) un transformador ferroresonante. 4. Sstema de Electrodos de puesta a terra. Los electrodos pueden ser naturales o artfcales. Electrodos naturales, NEC : a) Tubería metálca de agua. Tubería metálca de agua en contacto drecto con la terra. Debe cumplr con lo sguente: I. de 3 m o más, II. debe tener como suplemento otro electrodo natural o uno artfcal y III. debe ser eléctrcamente contnua, no se debe depender del meddor o del fltro para la contnudad. Deben nstalarse puentes en el meddor y el fltro. x1 x0 x2 c) transformador monofásco de tres hlos meddor equpo de desconexón prncpal x0 x1 d) transformador monofásco Fgura 4 Conexones más comunes de transformadores puente para contnudad eléctrca electrodo de suplemento la tubería de agua debe estar por lo menos 3 m en contacto con la terra Fgura 5. Tubería metálca de agua 23

5 b) Estructura metálca del edfco. S está dsponble se debe unr para formar el sstema de electrodos. c) Electrodo embebdo en concreto. Los cmentos de la construccón sempre que las varllas de refuerzo tengan contnudad a lo largo 6 m o más y sean por lo menos de ½. Un conductor desnudo de cobre de por lo menos 6 m y de calbre 4 o mayor puede ser empleado en lugar de las varllas. equpo de desconexón prncpal varllas de 1/2 " o cobre desnudo calbre 4 o mayor, embebdos en concreto, longtud de 6 m o más Fgura 6. Cmentos o cobre embebdo en concreto d) Anllo de terra ( ground rng ). Un anllo de terra alrededor del edfco o estructura, en contacto drecto con la terra, por lo menos a 76 cm bajo terra y formado por conductor desnudo de cobre de calbre 2 o mayor. S es posble unrlo en forma alternada a las columnas exterores del edfco (una columna sí y otra no) [2], vea la fgura 9. edfco a) Tubería metálca y tanques metálcos. Tubería metálca y tanques enterrados, por ejemplo, un pozo con pared metálca. No usar la tubería metálca de gas como electrodo, no usar electrodos de alumno. b) Varllas. Las varllas deben tener una longtud mínma de 2.4 m cuando sean de ferro o de acero deben estar galvanzadas o recubertas de materal resstente a la corrosón. c) Placas. Una placa de por lo menos 2 ft 2, de acero o de ferro y por lo menos de ¼ de espesor. La resstenca de los electrodos artfcales debe ser menor a 25 Ω. En caso de que la resstenca sea mayor hay que agregar otro electrodo en paralelo a una dstanca de por lo menos 1.8 m (250-84). Para explcar esto, consdérese que una varlla de puesta a terra se encuentra rodeada por clndros concéntrcos de terra. Los clndros cercanos tenen poca área y alta resstenca. Los clndros externos tenen menor resstenca. Al haber tomado en cuenta certa cantdad de clndros, la resstenca de la conexón electrodo - terra ya no dsmnuye s se agrega un clndro más. Esta cantdad de clndros forma el cuerpo de terra efectvo del electrodo, el cual abarca un clndro de rado aproxmadamente gual a la longtud del electrodo y una longtud dos veces la del electrodo [3], fgura 8. De esta forma, para dsmnur efectvamente la resstenca del sstema de electrodos, la dstanca que debe haber entre dos varllas es de al menos el doble de su longtud, de lo contraro los clndros de terra que rodean a los electrodos se traslaparán y su resstenca efectva no dsmnurá. La dstanca que manda el NEC de 1.8 m es pequeña ya que los cuerpos de terra se traslapan, 6 m es una dstanca consstente con las dmensones de los cuerpos de terra para varllas de 3 m. cobre desnudo calbre 2 o mayor enterrado 2.5 pés o más Fgura 7. Anllo de terra eléctrca Electrodos artfcales, NEC : terra cuerpo 1 cuerpo 2 Fgura 8. Los cuerpos de terra no se traslapan 24

6 El artículo oblga a unr todos los electrodos naturales o artfcales s estos están dsponbles. La fgura 9 lustra esta stuacón. Potencal en A y B es dferente que en C estructura de acero del edfco equpo de desconexón prncpal Cables de Comuncacón A C 1 B 2 25,000 volts 0 volts varlla anllo de terra tubería de agua electrodo embebdo en concreto Fgura 9. Unr los electrodos dsponbles El artículo ndca que las tuberías y ductos metálcos que no están asocados con el sstema eléctrco (por ejemplo los ductos de are) deben ser puestos a terra. Deben unrse en alguno de los puntos sguentes: a) gabnete del medo de desconexón prncpal; b) conductor puesto a terra en el medo de desconexón prncpal; c) conductor del electrodo s este es de calbre sufcente; o d) a uno o más de los electrodos. 5. Problemas ocasonados por el uso de electrodos aslados. S se tenen electrodos aslados en un msmo edfco, pueden aparecer dferencas de potencal grandes y ocasonar daños catastrófcos. Con respecto a la fgura 10 (adaptada de [4]), se tene una almentacón eléctrca 1 la cual abastece a las cargas A y B, la fuente 2 almenta a la carga C, los electrodos del sstema 1 y del 2 están aslados, mentras que las cargas A, B y C están undas por medo de cables de comuncacón. Una descarga atmosférca ocasonaría que los gabnetes A y B se elevaran mles de volts con respecto al gabnete C, esta dferenca de potencal pondría en pelgro la vda humana y el equpo. 10 Ω Dspacón de la energía del rayo Terra Profunda Fgura 10 Electrodos aslados 5 Ω Supongamos que el electrodo de un pararrayos y el electrodo de la almentacón eléctrca de un edfco no se unen. En caso de que una descarga atmosférca cayera en el pararrayos, se tendría que el potencal de todo el equpo metálco undo al conductor de bajada del pararrayos estaría a un potencal elevado. Mentras que las partes metálcas puestas a terra del sstema de almentacón eléctrca, quedarían a potencal de terra profunda, como se muestra en la fgura 10. S están próxmas partes metálcas con dferente potencal podría ocurrr arqueo con consecuencas fatales (en nglés a este arqueo se le llama sdeflash [4]). Con esto, queda demostrada la necesdad de unr todos los electrodos dentro de un msmo edfco. Convene aclarar que se deben unr a nvel de suelo o terra y no en otro lugar. La seccón NEC prohbe emplear los conductores de bajada o los electrodos del sstema de pararrayos en lugar de los electrodos artfcales de la seccón NEC La msma seccón ndca que esta prohbcón no sgnfca que los electrodos de dstntos sstemas no se deban unr. NEC , FPN no. 2 ndca que la unón de los electrodos de los dstntos sstemas lmtará las dferencas de potencal entre los electrodos y los alambrados asocados. La seccón (b) del NEC da los detalles de la unón del sstema de terras de almentacón eléctrca con los otros sstemas de terra. (pararrayos, cable, comuncacones y teléfono). 25

7 ITM de 15 A Aslante Carga Tubo condut 5 Ω Terra suca de acometda Fltro capactvo en corto 5 Ω Terra lmpa, exclusva y aslada Fgura 11. Terra de computadora, lmpa, aslada y exclusva Otra práctca, conocda como terra de computadoras aslada, exclusva y lmpa, que tambén pone en pelgro la vda humana se descrbe con la ayuda de la fgura 11 (adaptada de [5]). En esta fgura hay dos volacones al códgo. La prmera es que no hay puesta a terra de equpo en el gabnete de la carga, la segunda es la puesta a terra exclusva y aslada. La fgura lustra que un capactor se puso en corto crcuto, ocasonando que el gabnete de la carga se ponga al msmo potencal que el del conductor vvo. S consderamos mpedancas de 5 Ω en cada uno de los electrodos y voltaje de 120 V, la corrente será de 12 A, dcha corrente no será sufcente para que la proteccón de sobrecorrente opere. La trayectora que sgue esta corrente es a través del conductor vvo, del fltro capactvo en corto, del gabnete de la carga, del electrodo exclusvo, de la terra, del electrodo suco y del conductor puesto a terra. Esta corrente dará lugar a que el gabnete de la carga se ponga a 60 V con respecto a terra profunda. S alguen toca una columna que está a terra profunda y toca el gabnete energzado tendrá 60 V entre sus dos manos. Con esto es claro que se están derrotando las funcones de la puesta a terra de equpo: a) lmtar el voltaje de los materales metálcos no portadores de corrente con respecto a terra y b) que en caso de falla a terra, opere la proteccón de sobrecorrente. 6. Unón legal entre neutro y terra En la lteratura [6] se nsste que el sstema de almentacón se debe poner a terra en un solo punto. La fgura 12 (a) lustra el alambrado correcto, las computadoras están conectadas con cable de comuncacón y cuando el voltaje en dcho cable es cero en un extremo, tambén lo es en el otro. La fgura 12 (b) tene unón legal entre neutro y terra, la corrente del neutro () se dvde ahora por el hlo neutro ( 1 ), por el cable de terra ( 2 ) y por el cable de terra de comuncacón ( 3 ). La corrente 3 ocasona un voltaje entre las dos computadoras debdo a la resstenca del cable de comuncacón. Hay error en la comuncacón y en caso extremo la entrada de comuncacón se puede dañar. R com R com 3 v = 0 - n h g - h g a) Alambrado correcto n - v = 0 v = R com 3 computadoras - - b) Unón legal neutro - terra Fgura 12. Problema debdo a unón legal de terra y neutro v = 0 26

8 canalzacón de cables de comuncacón canalzacón de cables de comuncacón campo magnétco débl campo magnétco ntenso enc = 0 enc = 2 canalzacón de cables de almentacón canalzacón de cables de almentacón a) Sn unón legal neutro - terra b) Unón legal neutro - terra Fgura 13. Campo magnétco Intenso debdo a unón legal neutro - terra Además de voltajes y correntes ndeseables en los cables de comuncacón, la unón legal entre neutro y terra da lugar a fuerzas magnetomotrces que no se cancelan. Los campos magnétcos resultantes pueden ocasonar nterferenca electromagnétca en computadoras, montores y proyectores de vídeo. La Fgura 13 lustra dcha stuacón. En la Fgura 13 a), el campo magnétco es débl pues la corrente encerrada es cero. Una pnza de corrente detectaría 0 A. En la Fgura 13 b) la densdad de campo magnétco es ntensa pues la corrente encerrada es gual a la que corrente que se va por la canalzacón de los cables de comuncacón. Una densdad de campo magnétco del orden de 2 mg no debe ocasonar nngún problema en los equpos menconados. Pero una ntensdad de campo magnétco de 20 mg puede ocasonar que la magen de un montor sea nestable, en el doma nglés a esto se le conoce como montor jtterng. Code, Electrcal Constructon and Mantenance, September [4] Keneth M. Mchaels, Effectve Groundng of Electrcal Systems, Electrcal Constructon and Mantenance, Jan. 94. [5] US Department of Commerce, Natonal Bureau of Standards, Gudelne on Electrcal Power for ADP Installatons, Federal Informaton Processng Standards - Publcaton 94, September 21, [6] IEEE Recommended Practce for Groundng of Commercal Power Systems, IEEE Std , ISBN: Bblografía [1] Early, Sheehan and Caloggero, 1996 Natonal Electrcal Code Handbook, Natonal Fre Protecton Assocaton. [2] Fred Hartwell, Understandng NE Code Rules on Groundng and Bondng, Electrcal Constructon and Mantenance, Intertec Electrcal Group, 1994, ISBN: [3] Joseph R. Knsley, Understandng groundng electrode requrements of the NE 27

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