UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERIA SEDE GUAYAQUIL CARRERA INGENIERIA ELECTRICA SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE LABORATORIOS DE CÓMPUTO BLOQUE C Y D NUEVO CAMPUS PROYECTO FINAL DE GRADUACION PREVIO A LA OBTENCION DEL TITULO DE INGENIERO ELECTRICO EN POTENCIA Y DISEÑO DE MAQUINAS RONALD ULISES PARADA ORTIZ DEVIS FERNANDO ORRALA ARIAS DIRECTOR: ING CESAR CACERES GUAYAQUIL ECUADOR 2010

2 TRIBUNAL DEL CONSEJO DE CARRERA Presidente del Tribunal Director de Tesis Vocal del Tribunal

3 DECLARACION Nosotros, DEVIS FERNANDO ORRALA ARIAS, RONALD ULISES PARADA ORTIZ, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Universidad Politécnica Salesiana según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente Guayaquil, marzo del 2010 Devis Fernando Orrala Arias Ronald Ulises Parada Ortiz

4 CERTIFICACION Por medio del presente Proyecto certifico que el trabajo fue desarrollado por Devis Fernando Orrala, Ronald Ulises Parada Ortiz bajo mi supervisión. Ingeniero Cesar Cáceres DIRECTOR DE PROYECTO

5 AGRADECIMIENTO Agradezco primero a Dios que nos dio la vida y la salud para poder concluir esta etapa de nuestras vidas, para así convertirnos en unos profesionales dotados de principios y ética. A mis padres Carmen Arias Veliz y Gustavo Orrala Pérez que con sus enseñanzas y ejemplos de superación han sido el eje fundamental de todos mis éxitos y triunfos. A nuestros maestros que han compartido sus conocimientos y experiencias a lo largo de todo este periodo estudiantil para así poder sobreponernos a los diferentes cambios de nuestra profesión. Devis Fernando Orrala Arias

6 AGRADECIMIENTO Con amor y cariño Agradezco primero a Dios que me dio la vida y la salud para poder concluir esta etapa de mi vida, a mi madre Mercedes Ortiz a mi padre Pedro Pablo Parada y a mis hermanos: Paola Parada Ortiz, Erick Parada Ortiz, Romina Parada Ortiz que con profundo cariño y amor han sido el eje fundamental para desarrollarme como persona y como profesional, de igual manera a mis amigos especialmente a Eduardo Vera y Cinthya Gomes que con su apoyo moral, me brindaron toda la seguridad y confianza para conseguir con éxito lo que ahora soy Ronald Ulises Parada Ortiz

7 DEDICATORIA Este proyecto está dedicado a nuestro Padre Celestial, mi familia: A mi madre Carmen Arias Veliz y a mi padre Gustavo Orrala Pérez quien ha sido mi inspiración, por su amor, a mis amigos por su aliento, positivismo y su apoyo moral. Devis Fernando Orrala Arias Este proyecto está a dedicado DIOS nuestro Padre Celestial, a mi familia especialmente a mi madre Mercedes Ortiz a mi padre Pedro Pablo Parada y a mis hermanos: Paola Parada Ortiz, Erick Parada Ortiz, Romina Parada Ortiz que día a día ha sido la base y pilar fundamental de mi desarrollo, tanto personal como profesional Ronald Ulises Parada Ortiz

8 RESUMEN Como se puede apreciar en los diferentes capítulos se han ido definiendo algunas consideraciones y palabras ya mencionadas que intentan definir el tema, entre ellas tierra física, tierra masa, tierra del circuito, conductor de tierra, conductor de conexión a tierra, conductor del electrodo de tierra, tierra de seguridad, tierra del equipo, protección de tierra, tierra aislada, tierra separada, tierra de señal, tierra de referencia. El manejar apropiadamente estos conceptos es de gran importancia por que el objetivo fundamental de un sistema de puesta a tierra es asegurar la seguridad de las personas, así como también asegurar el cuidado de los equipos eléctricos y componentes electrónicos, ante la presencia de sobre corrientes a tierra mediante la limitación del voltaje a tierra. Adicionalmente se tiene como función principal un buen correcto funcionamiento del sistema eléctrico y por ende una buena operación de los dispositivos de protección, así como también la actuación de los sistemas de supervisión y control los cuales usan los sistemas de tierra como una buena referencia operacional. Adquirir los conocimientos fundamentales y avanzados para realizar labores de diagnostico, inspección y mantenimiento de instalaciones de puesta a tierra de instalaciones eléctricas, son muy importantes motivo por el cual se realizan las auditorias necesarias para analizar con exactitud la situación actual en la que se encuentran los sistemas eléctricos y las conexiones de puesta a tierra, además de darán las posibles soluciones para realizar con seguridad y garantizar un buen funcionamiento de los sistemas eléctricos de potencia. Es evidente que en el diseño y construcción de los sistemas eléctricos de potencia y las conexiones de sistemas de puesta a tierra, se usan las normas y estándares establecidas por el NEC, esto hace que la utilización de los equipos, dispositivos y materiales correspondientes además de contribuir con la seguridad y la calidad, se garantice un buen desarrollo del proyecto sin causar anomalías ni daños a futuro.

9 INDICE 1.-Sistemas Puesta a Tierra Definiciones Necesidad de conexión a tierra: punto de vista de la seguridad Objetivo: riesgo asociado a las fallas eléctricas efecto de la corriente eléctrica en el cuerpo humano rango tolerable de corriente Puesta a tierra en Salas de Computadoras Objetivos Alimentación Monofásica y Alimentación Trifásica Tierra de Referencia Cero del Sistema Conexión a Tierra para la Operación Confiable de las Computadoras Conexión Neutro a Tierra Como Detectar un Sistema Neutro-Tierra Incorrecto Selección del Calibre del Cable para Cumplir con las Normas de la 34 Industria de las Computadoras especificaciones para la unión eléctrica del sistema Carga desequilibrada y sus efectos Dispositivos de tratamiento para las líneas que tiene conexión a tierra Sobrevoltajes transitorios Componente de protección contra voltajes transitorios Tubos de gas Varistores de oxido metálico (mov) Diodo de avalancha de silicio Comparación de costos Confiabilidad del diseño Estándar ª.edicion Tierra para el protector de sobre voltajes transitorios Sobre corriente a tierra Corriente de fuga Corrientes de lazo cerrado a tierra Fallas intermitentes de red Auditoria de Sistemas de Puesta a Tierra General Esquema General de Auditoría de SPAT Levantamiento del Sistema Identificación Lugar de Puesta a Tierra del Sistema Identificación de Electrodos Identificación Anillo o Malla de Tierra Identificación de Barras de Tierra Enterradas Identificación de Conexiones Informe Técnico de Laboratorios de Computo Generalidades Acometida Principal Tablero Principal Panel de Distribución. 55

10 Circuitos Derivados Informe Técnico Laboratorio Informe Técnico Laboratorio Informe Técnico Laboratorio Pruebas realizadas en campo Diseño de Puesta a Tierra de los Laboratorios de Computo Antecedentes Barra Equipotencial de Puesta a Tierra Aplicaciones Instalación Material para instalación de la barra Equipotencial Trasformador de Aislamiento Acoplamiento Capacitivo Ruido de Modo Común Ruido de Modo Normal Condensadores de Derivación Concepto del Sistema Criterios de Aplicación General Dimensionamiento de los KVA del panel de Aislamiento Presupuesto Sistema de Piso Falso 76 Conclusiones 78 Recomendaciones 78 Anexo 1 79 Anexo 2 80 Anexo 3 81 Anexo 4 82 Anexo 5 83 Anexo 6 84 Anexo 7 85 Anexo 8 86 Anexo 9 87 Anexo Anexo Anexo Anexo Anexo Anexo Anexo Anexo Anexo Referencias Bibliográficas 106

11 CAPITULO I Introducción El presente capitulo tiene como objetivo el brindar los conocimientos necesarios para un mejor entendimiento de las temáticas a referirse durante los capítulos posteriores a este. Los temas de conexión a tierra generalmente son difíciles, no por los conceptos intrínsecos de la materia, si no principalmente debido a la interpretación errónea y a la gran cantidad de términos usados en publicaciones y artículos técnicos, libros y otras publicaciones sobre el tema. El manejar apropiadamente los conceptos es de importancia fundamental porque el objetivo primario de un sistema de puesta a tierra es asegurar la seguridad de personas e instalaciones ante la presencia de sobre corrientes a tierra mediante la limitación del voltaje a tierra. Adicionalmente como función, se tiene la operación a apropiada de los sistemas de protecciones eléctricas, así como los sistemas de supervisión y control los cuales usan los sistemas de tierra como referencia operacional.

12 1.- SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA PARA BAJA FRECUENCIA Definiciones Un sistema completo de tierra en una instalación eléctrica consta de tres componentes principales: Tierra Física, tierra del circuito y tierra del Equipo. Figura 1.1. Tierra física Se conoce también como sistema de electrodos de tierra. Es la conexión física entre un sistema eléctrico y un sistema de electrodos de tierra. Incluye el sistema del electrodo de tierra y las conexiones necesarias para realizar conexiones efectivas de tierra Un sistema de electrodos de tierra o tierra física puede consistir en una varilla, tubería u otro electrodo aprobado por los códigos y normas. Es el sistema el cual se encuentra dispuesto en forma subterránea bajo el nivel del suelo y en contacto directo con la tierra Tierra del Circuito: Es el conductor conectado a tierra como por ejemplo el neutro del circuito. Tiene como función, en caso de un cortocircuito o falla a tierra, de transportar la corriente desde el sistema eléctrico hasta el electrodo de tierra o tierra física. Tierra del Equipo: Se denomina también tierra de seguridad. Está destinada a la protección del personal y el equipo contra fallas o cortocircuitos. Interconecta las partes metálicas de los equipos, que usualmente no acarrean corriente y así permiten mantenerlos a una referencia cero 0 o plano equipotencial. En algunos países, como España, se le denomina masa para diferenciarlo de la tierra física

13 Figura 1.2. Tierra de protección contra rayos. Es un sistema separado que según la sección 250 el código eléctrico nacional debe interconectarse al sistema de tierra de la planta o del edificio. El sistema de tierra asociado a pararrayos lo rige el código de protección contra rayos, NFPA- 780 y otras normas tales como la IEC Las metodologías de diseño deben considerar los aspectos dinámicos que el rayo impone a través de los acoplamientos resistivos, capacitivos e inductivos. La función específica del sistema es actuar como interface para drenar la energía del rayo a tierra manteniendo en valores seguros los voltajes de toque y de paso que se generan Los sistemas de tierra asociados a pararrayos deben interconectarse con los sistemas de tierra para 60 Hz de forma que se conforme un plano equipotencial en presencia de la descarga atmosférica. Conductor Conectado a Tierra:

14 Figura 1.3. Código eléctrico nacional sección Puente de union (MAIN BONDING JUMPER) También se conoce como conductor neutro Según el NFPA-70(NEC-EEUU) es la referencia a tierra del sistema ya que se conecta a tierra en el transformador de la empresa de suministro y se trae corrido al equipo de servicio a la entrada de la planta o del edificio. En este punto se establece la unión neutra- tierra (interconexión), a través de la barra de tierra del tablero. Este sistema tiene la función de transportar la corriente de retorno del conductor de fase para un sistema monofásico, sistema monofásico de tres hilos o servir como retorno para las corrientes de fase que no se cancelaron en un sistema trifásico. El artículo del CEN establece que en instalaciones eléctricas de c.a se pondrá a tierra el conductor que se especifica a continuación: Sistemas monofásicos de los hilos: Un conductor Sistemas monofásicos de tres hilos: el conductor neutro Sistemas polifásicos que tienen un conductor común a todas las fases: El conductor común. Sistemas polifásicos que requieren tener una fase a tierra: El conductor de una fase. Sistemas polifásicos en los cuales se utiliza una fase como en el punto (2): El conductor neutro Figura 1.4.Tierra Aislada: Al inicio de los años 1970 grandes e importantes empresas en los EEUU experimentaban señales de ruido eléctrico e interferencias de alta frecuencia en los conductos que protegían los cables de señales o servían de conductores de tierra. Por ese motivo se invento otro conductor de tierra, como cable separado, distinto del cable de seguridad, con la exclusiva función de proporcionar una tierra libre de ruido, separado de la tierra contaminada o tierra sucia de la instalación

15 El termino originalmente usado para identificarla, denominado (Tierra Aislada) es el que ha permanecido en los términos de la industria, sin embargo el mismo ha causado confusión o errores en la interpretación y aplicación. Aunque también se le conoce como tierra dedicada prevalece el nombre de tierra aislada. Este sistema ofrece una tierra esencialmente libre de ruido eléctrico y su aplicación primordial es para equipos sensibles, tales como salas de computadoras, telecomunicaciones y salas de supervisión y control La aplicación de este sistema ha causado caos en la implantación de sistemas de tierra porque usualmente el tratamiento dado, es aplicarlo como un sistema de tierra separado de la tierra del edificio. Conductor de Puesta a Tierra: Un conductor que se usa para conectar un equipo o el circuito puesto a tierra de un sistema de alambrado a uno o varios electrodos de puesta a tierra. Conductor de Puesta a Tierra de los Equipos: El conductor que se usa para conectar las partes metálicas de los equipos que no transportan corriente, las canalizaciones u otras cubiertas, al conductor puesto a tierra del sistema, al conductor del electrodo de puesta a tierra, o ambos; en el equipo de acometida o en la fuente de un sistema derivado separadamente. Corriente de Tierra: Corriente que fluye por el suelo. O desde / hacia el suelo o en una conexión a tierra. Corriente de Falla a Tierra: Conexión no intencional entre el conductor de un circuito aislado de tierra y los elementos conductores que normalmente no trasportan corriente, tales como cerramientos metálicos. Electrodo de Conexión a Tierra:

16 Figura 1.5. Código eléctrico nacional sección Electrodo del sistema de puesta a tierra Electrodo insertado en el suelo y cuya función es realizar la interface para colectar o disipar la corriente de falla a tierra en el suelo. Elevación del potencial de tierra (GPR): Máxima elevación de potencial que experimenta una red de tierra o un sistema de electrodos de tierra en una subestación referido a una tierra remota. El GPR se expresa como: Gpr = I F * Z g Donde: I F = Corriente de falla Z g = Impedancia del sistema de electrodos de tierra En condiciones normales los equipos eléctricos operan cerca del potencial cero de la tierra remota y en condiciones de falla la corriente circulante causa la elevación de potencial respecto a la tierra remota. Puente: Unión permanente de partes metálicas para formar un elemento eléctrico conductor que asegure la continuidad eléctrica y la capacidad para conducir con seguridad cualquier corriente que pudiera pasar. Puente de Unión: Conductor, reconocido como seguro, para proporcionar la seguridad eléctrica requerida entre partes de metal que haya de ser conectadas eléctricamente. Puente Unión de Equipo: La conexión entre dos o más partes de un conductor de puesta a tierra de equipos. Puente de unión principal: La conexión entre el conductor puesto a tierra del circuito y el conductor de puesta a tierra de equipos, en la acometida. Electrodo Auxiliar de Tierra: Un electrodo de tierra el cual dispone de ciertas restricciones de diseño u operativas. Puede tener funciones distintas a la de conducir la corriente de falla a tierra. Por Ej. Puede servir como punto de unión equipotencial para tierra de sistemas y equipos electrónicos.

17 Tensión Respecto a Tierra: En los circuitos puestos a tierra, es la tensión entre un conductor dado y el punto o el conductor del circuito que esta puesto a tierra. En los circuitos no puestos a tierra es mayor la tensión entre conductor dado y cualquiera de los otros conductores del circuito. Malla de Tierra: Un sistema de electrodos artificiales de tierra que consiste en un número de conductores dispuestos en forma horizontal sobre o enterrados en el suelo e interconectados entre sí formando una malla con la función de proveer una conexión a tierra en forma común para dispositivos eléctricos o estructuras metálicas, usualmente en un sitio especifico. Las mallas de tierra instaladas cerca de la superficie del suelo son efectivas para controlar los gradientes superficiales de potencial. Retícula de Malla a Tierra: Figura 1.6.Reticula de malla tierra: Uno de los espacios abiertos rodeados por los conductores de la malla a tierra Electrodo Vertical de Tierra: Electrodos de tipo jabalina constituidos típicamente con material de acero recubierto con cobre (tipo coperweld), acero galvanizado en caliente o acero inoxidable. Pozo de Tierra: Un hoyo con un diámetro mayor que el electrodo vertical insertado, excavado a una profundidad específica y rellenada con un material altamente conductivo. El relleno deberá estar en contacto directo con el suelo.

18 Conexión a Tierra de Alta Resistencia: Consiste en intercalar en forma intencional una resistencia entre el punto neutro y el sistema de electrodos de tierra con el objeto de limitar la corriente de falla a tierra de forma que puede fluir por un periodo extenso de tiempo sin causar daños mayores. El nivel de corriente es comúnmente de 10 o menos. Conexión a Tierra de Baja Resistencia: Sistema conectado a tierra en el cual se inserta una resistencia de bajo valor óhmico entre el neutro y el sistema de electrodos de tierra de manera tal que se permita circular una corriente de falla de magnitud suficiente para lograr la operación de los sistemas de relés de sobre corriente. Reactancia a tierra: Conexión a tierra mediante impedancia en la cual elemento principal es una reactancia inductiva. Resistencia de Tierra: Conexión a tierra mediante impedancia en el cual el elemento principal es una resistencia Figura 1.7. Sistema de puesta a tierra Consiste en todas las interconexiones de tierra que pueden ser encontradas en un área específica. Resistencia de Conexión a Tierra: Valor óhmico medido entre un sistema de electrodos de tierra y un electrodo de referencia de impedancia cero ubicado en forma remota. Normalmente se asume la expresión remota la ubicación en el cual la resistencia mutua entre dos electrodos es esencialmente cero.

19 Resistencia Mutua de Sistemas de Electrodos de Conexión a Tierra: Es igual al cambio de voltaje experimentado por uno de los electrodos producidos por el cambio de un (1) ampere en el otro. Se expresa en ohmios (Ω) Potencial Eléctrico Figura 1.8. Potencial Eléctrico Diferencia de potencial entre un punto y alguna superficie equipotencial, usualmente la superficie del suelo, la cual es arbitrariamente definida como de potencial cero (tierra remota). Un punto a mayor potencial que la superficie cero es definido como potencial positivo Un punto de menor potencial se dice que tiene potencial negativo Voltaje de Toque: Figura 1.9. Voltaje de toque Diferencia de potencial entre una estructura metálica y un punto sobre la superficie de la tierra separada por una distancia horizontal en forma de normal de aproximadamente un metro 1(m)

20 Voltaje de Paso: Figura 1.9. Voltaje de paso Diferencia de potencial entre dos puntos sobre la superficie del terreno separadas entre sí por una distancia aproximada de un paso, el cual será asumido de un metro, en dirección del máximo gradiente de potencial. Resistividad de un Material: La resistividad es la propiedad de un material y se define como su impedancia característica. En sistemas de puesta a tierra es la impedancia característica del suelo en la cual se encuentra ubicado el electrodo de tierra. Se expresa en Ω-m

21 1.2.- Necesidad de Conexión a Tierra: Punto de Vista de la Seguridad Objetivo: Limitar la tensión entre la persona y las partes metálicas en un momento dado, de modo que actúen las protecciones eléctricas y se minimice el riesgo de shock eléctrico. PROTEGER A LAS PERSONAS PROTEGER LOS SISTEMAS Riesgo Asociado a las Fallas Eléctricas En los sistemas eléctricos, industriales, comerciales y residenciales en Ecuador las consideraciones de diseño de la red deben tomar en cuenta no solamente los aspectos operacionales requeridos por la instalación. En el diseño son de obligatorio cumplimiento los requerimientos de seguridad para conexiones y puesta a tierra previstas en el artículo 250 y otros relacionados de manera que durante la operación del sistema eléctrico se asegure la integridad física de las personas e instalaciones expuestas ante un evento de falla a tierra. La seguridad del sistema eléctrico ante fallas a tierra es determinado por la magnitud de corriente de falla que circula por el sistema de electrodos a tierra y por los circuitos que actúan como retornos y como divisores de la corriente de falla. La magnitud de corriente de falla a tierra es determinada principalmente por: Potencia de cortocircuito a tierra del sistema eléctrico Conexiones de los transformadores Método de conexión a tierra del neutro Calidad de la interface neutro del sistema eléctrico sistema de electrodos de tierra Capacidad del sistema de electrodos de tierra para mantener en valores seguros los gradientes de potenciales de toque y de paso.

22 Efecto de la Corriente Eléctrica en el Cuerpo Humano Voltajes de Toque y de Paso El propósito de un sistema de conexión a tierra es proveer un camino de baja impedancia de contacto eléctrico entre el neutro de un sistema eléctrico y el suelo. Idealmente, el potencial eléctrico del neutro en un sistema trifásico deberá ser el mismo que el del suelo. En este caso los humanos y los animales están en condiciones seguras al efectuar contacto con estructuras metálicas conectadas a tierra. Desafortunadamente, la impedancia del sistema de conexión a tierra siempre es un número finito. De esta manera el potencial de las estructuras conectadas a tierra pueden ser diferentes que el potencial de otros puntos dispuestos sobre la superficie del suelo durante condiciones de funcionamiento anormales. Las condiciones de funcionamiento anormal incluyen operación desbalanceada del sistema o de fallas a tierra. Dependiendo del nivel de la diferencia de potencial entre los puntos sobre el suelo y las estructuras conectadas a tierra puede generarse condiciones de riesgo para las personas. Estas condiciones pueden resultar en dos posibilidades distintas: (a) Una persona en contacto con una estructura conectada a tierra la cual está a un potencial diferente del punto sobre el suelo en el cual se encuentra la persona. En este caso el individuo está expuesto al voltaje el cual será generado por la corriente que circulara a través de su cuerpo. El voltaje al cual la persona bajo estas condiciones está expuesto es denominado Voltaje de Toque (b) Una persona caminando sobre el suelo de una instalación en la cual existen potenciales distintos experimenta un voltaje entre sus pies. En este caso el voltaje al cual la persona está expuesta se denomina Voltaje de Paso Rango Tolerable de Corriente Los efectos de una corriente eléctrica circulando por las partes vitales del cuerpo humano dependen de la duración, magnitud y frecuencia de esta corriente. La consecuencia más peligrosa de una explosión a una descarga eléctrica es la condición del corazón conocida como fibrilación ventricular, lo cual resulta en una anomalía de funcionamiento del órgano traducida en una inmediata paralización de la circulación de la sangre. También el cuerpo humano puede sufrir otros efectos fisiológicos menos severos tales como contracciones musculares, quemaduras externas e internas, entre otras la severidad de los efectos fisiológicos depende de la duración de la descarga eléctrica,

23 pero también depende de las características del cuerpo humano y del ambiente, por Ej.: la humedad. Figura Zona de tiempo/intensidad de los efectos de corriente alterna (15 a 100 Hz) sobre las personas En la figura se muestran los resultados de investigaciones efectuadas por IEC y publicados en el documento IEC La grafica muestra que el riesgo de la persona a sufrir contracciones musculares o fibrilación ventricular se incrementa en forma proporcional al tiempo de exposición a la corriente eléctrica. Zona 1: 0.5 ma Percepción sin problemas. Corresponde a una circulación de corriente por el cuerpo con una duración limitada. Zona 2: No existen efectos fisiológicos dañinos o peligrosos para valores de corriente por debajo de la línea punteada B Zona 3: Zona entre línea B y curva C1 Generalmente no existe daño orgánico pero los efectos de contracciones musculares y otras sensaciones son significativas y pueden llegar a ser molestas. Curva C1- Zona de 30mA: Limite de quiebre. Es posible mantener de forma indefinida la circulación de una corriente de 30mA de magnitud de corriente con riesgos bajos de arritmias cardiacas o que ocurra fibrilación ventricular. Zona 4 (A la derecha de la curva C1): Existen efectos fisiológicos, tales como contracciones musculares severas, arritmias cardiacas y quemaduras severas.

24 La posibilidad de la fibrilación ventricular se distribuye como: Aproximadamente 5% entre curvas C1 y C2 Menor al 50% entre curvas C2 y C3 Mayor del 50% por encima de la curva C3

25 CAPITULO II 2.- Puesta a Tierra en Salas de Computadoras Introducción En este Capítulo se analizara el verdadero significado de la tierra separada o tierra dedicada, es decir la referencia cero del circuito. Asimismo, se estudiaran, resolverán los problemas típicos de alimentación y tierra en los sistemas que alimentan salas de computadoras y equipo electrónico sensible. El ingeniero responsable de las operaciones y acciones correctivas podrá tomar decisiones con más confianza para lograr una operación confiable de la instalación. En este proyecto se trataran los sistemas de procesamiento de datos, y los problemas más típicos en esta clase de instalaciones Objetivos Determinar el ambiente eléctrico necesario para el buen funcionamiento de los equipos de procesamiento de datos. Analizar el diseño Arquitectónico del piso flotante Determinar la calidad del sistema a tierra en una sala de computadoras Calcular el tamaño del conductor neutro para cargas no lineales Calcular el voltaje neutro - tierra ideal para la protección contra ruidos eléctricos Determinar los requisitos para los dispositivos de tratamiento de línea Analizar los sobre voltajes transitorios y medidas de protección Analizar las tecnologías de protección para equipos electrónicos sensible Definir, analizar y seleccionar el dispositivo de protección frente a transitorios: varistores de oxido metálicos, diodos de avalancha de silicio y sistemas híbridos Ejecutar una conexión correcta a tierra de los dispositivos de protección Alimentación Monofásica y Alimentación Trifásica Casi siempre, la alimentación comercial se genera y distribuye en forma trifásica debido a su desempeño y ventajas. Los motores trifásico tienen mejor potencia de arranque, operan mas silenciosamente, son más eficientes y son menores que los motores monofásicos del mismo caballaje. Incluso son más baratos. Las aplicaciones de las fuentes de energía monofásicas se limitan a sistemas de alumbrado, calefacción enseres eléctricos pequeños e instrumentos electrónicos pequeños como radios, televisores, calculadoras y relojes. Por estas consideraciones, la alimentación monofásica es típicamente suministrada a residencias, comercios pequeños y otros sitios donde no se requieren cargas mayores. Algunas conexiones típicas y fase y puntos de conexión a tierra los muestra la figura 2.1 Estas son las diferentes configuraciones de transformadores para varios tipos de servicios. El tipo monofásico normal para residencias de 120/240 V puede

26 complementarse con una terminal de alto voltaje de otra fase. Este conductor comúnmente se identifica con el color naranja. Figura 2.1 Conexiones de transformadores

27 2.3.-Tierra de Referencia Cero del Sistema La expresión tierra del sistema empleada en este capítulo se refiere a un cable o alambre aislado, se parado y dedicado que tiene asilamiento color verde o verde con rayas amarillas, que está conectado a tierra y se instala para computadoras y equipos que cuentan con microprocesadores. Este conductor de conexión a tierra también es un conductor para la seguridad, lo cual se ilustra en la figura 2.2 Figura 2.2. Un receptáculo de tierra aislada, especifica, libre de ruidos. También se muestra la tierra del equipo como conducto metálico.

28 El propósito de este sistema a tierra es proporcionar un sistema limpio, libre de ruidos (interferencia electromagnética), de referencia cero de tierra para las fuentes de alimentación cd y datos en los sistemas ya comentados. La sección (d) y la sección del Código Eléctrico Nacional permiten que un conductor de puesta a tierra de equipo se instale desde el punto de unión neutro/tierra (equipo de servicio o Terminal Xo de una fuente derivada separadamente) hasta el equipo, o a los receptáculos aislados a tierra para el equipo. Este conductor de tierra aislada debe instalarse con los conductores del circuito, el conductor neutro y el conductor tierra de seguridad y podrá pasar o cruzar a través del tablero o panel de control como se describe en las secciones de arriba citadas y en la sección (b). El conductor de tierra del sistema no se conecta al conducto o tableros de distribución secundarios por los cuales se desplaza, sino que solo termina en los bloques principales aislados, en el cable aislado principal de tierra u otra tierra aislada o receptáculo, en la tierra asilada (lógica) del equipo y en el punto único de unión de la fuente de energía. Véase la figura 2.3. Figura 2.3. Tierra aislada La tierra de seguridad también debe instalarse y conectarse como se requiere para fines de seguridad; por ejemplo, en una tierra dúplex aislado, el contacto redondo del receptáculo se conecta a la terminal flexible aislado de tierra en la parte posterior del receptáculo. El tornillo que sostiene la lámina frontal del receptáculo se conecta a la tierra de seguridad por medio de los sujetadores de montaje del receptáculo y a la caja de metal donde se monta el receptáculo. Si se usa una caja de plástico se debe utilizar un conductor de tierra de seguridad y este debe extenderse junto con el conductor de fase, el neutro y los conductores de tierra aislados. Además, debe fijarse a los sujetadores de montaje del receptáculo parta conectar a tierra la mina frontal.

29 2.4.- Conexión a Tierra para la Operación Confiable de las Computadoras El concepto de punto único de conexión a tierra se ha establecido como estándar para realizar la conexión a tierra para equipo electrónico sensible Es de suma importancia establecer un punto único de referencia de tierra para lograr la confiabilidad de un equipo y una satisfactoria operación de los sistemas de cómputo y otros modernos sistemas electrónicos. La confiabilidad y operación de un sistema computarizado mejorara utilizando esta técnica, la cual se basa en el mejoramiento de un plano equipotencial para todos los equipos y así evitar diferencias peligrosas de voltaje que puedan afectar el buen funcionamiento del equipo electrónico. Es un hecho que algunos sistemas no operan sino se cuenta con esta técnica. La acometida del edificio debe ser la referencia inicial para el sistema de un solo punto a tierra. Es aun más conveniente establecer un punto único de unión neutro (tierra) para el sistema computarizado, ya sea en el dispositivo de tratamiento de potencia del sistema o en el secundario del transformador reductor (figura 1.4) Siempre es necesaria la instalación de un transformador de aislamiento tan cerca de la computadora o sistema de procesamiento de datos como sea posible debido a la impedancia que presentan los conductores largos, lo que genera diferencias de potencial a lo largo del conductor y como consecuencia presenta ruidos eléctricos e interferencia que afectan los equipos electrónicos. Esta fuente derivada separadamente aísla al sistema eléctrico de los ruidos en el sistema de alimentación del edificio. Se recomienda que el sistema de tierra del equipo electrónico de la sala de computadoras, que está instalado en el secundario del transformador se conecte al sistema de tierra del edificio. Esto se hace para establecer un cortocircuito entre los sistemas de tierra y mantener así todo el sistema al mismo potencial ante la eventualidad de descargas atmosféricas u otros efectos causados por corriente de tierra. En la figura 2.4 se muestra el secundario del transformador ubicado cerca del equipo de procesamiento de datos; el secundario se conecta a tierra en un punto único y los equipos se conectan a este punto, que puede ser ubicado en el transformador o en un tablero secundario. En muchos casos el fabricante de un equipo electrónico especifica un sistema dedicado a tierra el cual se refiere al sistema denominado tierra aislada, especificado antes. En sus instrucciones de instalación del sistema incluye diagramas parta la conexión de dos sistemas de tierra: la tierra de seguridad y la tierra aislada, aunque solo incluyen una sola Terminal o accesorio eléctrico de conexión, en la armadura del equipo. Esta única Terminal incluida en el equipo del fabricante es común para os circuitos de tierra (el de seguridad y el de tierra asilada); si ambos conductores de estos sistemas se conectan se conectan a esta Terminal la conexión de tierra aislada se perdería completamente. La tierra aislada es la tierra de referencia para la lógica digital y la mantiene libre de ruidos eléctricos. El propósito es mantener los equipos eléctricos protegidos de los ruidos eléctricos producidos en los bucles de tierra y múltiples conexiones a tierra...

30 Si la armadura metálica del equipos e fija al piso de concreto por medio de un perno y este hace contacto con la barras de refuerzo en el concreto, como en ocasiones sucede entonces se crea una trayectoria adicional. En este caso, lazos cerrados de corriente de tierra pueden causar ruidos eléctricos que anularían por completo las ventajas de la tierra aislada. El calibre del cable es crucial para los modernos circuitos electrónicos. El conductor de la tierra del sistema debe ser continuo. De calibre completo, con aislamiento y con foro aislante de color verde Cuando el forro aislante de color verde se usa para la tierra de seguridad, debe utilizarse un aislamiento de color verde con rayas amarillas para la tierra del sistema. Un solo calibre significa un conductor de cobre de un calibre mínimo AWG #8 o del mismo calibre que los conductores portadores de corriente (conductores de fase). Los conductores de conexión a tierra especificados por el Código Eléctrico Nacional pueden ser tan pequeños como 1/11 de la capacidad de los conductores de fase Para las aplicaciones en sistemas electrónicos modernos, el conductor de tierra del sistema se usa como señal de referencia cero para toda la lógica digital y la fuente de alimentación de cd de la computadora. Los circuitos de lógica de las computadoras, de bajo-nivel y a alta velocidad, requieren una impedancia baja y una referencia a tierra libre de ruidos eléctrico. Cuanto más grande sea el calibre del conductor de tierra del sistema, más baja será la impedancia de retronó al sistema de conexión a tierra del edificio. Cuanto más baja sea la impedancia la lógica será más pura (libre de ruidos eléctricos). El resultado es un mejor funcionamiento del sistema Ningún sistema computarizado puede operar eficientemente sin un sistema a tierra de baja impedancia. Un sistema mecánico de tierra que usa conductos y paneles con conexiones deficientes no es totalmente satisfactorio. Si la seguridad fuese el único factor de preocupación, cualquier trayectoria metálica a tierra seria la satisfactoria. Los conductos de edificios se adhieren a las normas del código en cuanto a requisitos de seguridad, pero su utilización es inaceptable como tierra para equipos electrónicos. El conducto en los edificios es una tierra mecánica y su calidad depende completamente de la integridad de sus conexiones. Esta integridad está en función del ajuste de las conexiones, lo que varia con la edad de la instalación, los movimientos del edifico y los cambio de temperatura del conducto y del inmueble. Cuando las conexiones se degradan, causan tanto un efecto directo sobre la lógica de referencia de tierra, como sobre la tierra de seguridad, además de afectar la confiabilidad de la operación del sistema electrónico La utilización de un conductor de conexión a tierra, de calibre adecuado informe, aislado, separado y dedicado, puede aumentar el calibre del conducto y el costo del trabajo, por eso es el único método aceptable para asegurar la confiabilidad y el funcionamiento del moderno equipo electrónico computarizado.

31 Figura 2.4. Punto único de conexión a tierra para sala de computadoras Conexión Neutro a Tierra. Los conductores de conexión a tierra y neutro deben unirse conjuntamente en un solo punto. Idealmente este punto seria el secundario de un transformador reductor o de un transformador de aislamiento, que este situado dentro o inmediatamente adyacente al equipo electrónico de cómputo. La segunda opción sería el centro de distribución de alimentación adyacente a la sala de computadoras. El neutro nunca debe conectarse a tierra en un tablero secundario. Además, esto constituye una violación del Código Eléctrico Nacional. La conexión de neutro a tierra en un tablero secundario crea un lazo de tierra en el circuito de alimentación, lo que inyecta ruido directamente a la computadora y su instalación eléctrica periférica. La figura 2.5 ilustra una conexión correcta. En este caso el neutro conduce la corriente de retorno de fase y no existe ninguna corriente del neutro a tierra. Cuando la barra colectora neutral se conecta a tierra en un tablero secundario (figura 2.6) la corriente neutral de retorno se divide en esta conexión, o corto y fluirá en ambos conductores: en el neutro y en el de conexión a tierra y también posiblemente en el conducto. Como resultado se producirán ruidos eléctricos de tierra y se creara posiblemente, un severo peligro en cuanto a seguridad. La corriente que fluye en los conductos puede desarrollar voltajes peligrosos a tierra que son un gran riesgo para el personal El neutro nunca debe conectarse a la armadura del equipo y la corriente de retorno nunca debe fluir por los conductores de conexión a tierra. Los equipos aprobados o listados por los laboratorios UL nunca permiten que las corrientes fluyan en los conductores de conexión a tierra. Algunos productos, debido a las características de los filtros de las líneas de alimentación, desarrollan pequeñas corrientes de fuga a tierra. La falla de estos filtros o falla del supresor de voltaje de modo común, puede generar una corriente peligrosa a tierra. Los neutrales y las tierras nunca deben conectarse en forma de cadena. Es decir, nunca se debe compartir ni el conductor neutro ni el conductor de tierra. El alambrado de cada circuito dentro del tablero de distribución, así como en cada receptáculo o unidad de equipo alimentado por el debe hacerse de tal forma que no se compartan ni el conductor neutro ni el conductor de conexión a tierra, con cualquier otro circuito, receptáculo o equipo. El hecho de compartir neutro o tierras, estando conectados los equipos al mismo conductor, se transfieren y comparten

32 problemas entre equipos. Al compartir conductores también aumentan los problemas individuales de cada equipo dentro de un sistema computarizado. Figura 2.5. Control de flujo de corriente cuando la barra neutral se conecta a tierra en el tablero principal o de servicio.

33 Figura 2.6. La unión del conductor neutro a la cubierta del equipo (tierra) en un tablero secundario produce un flujo de corriente sin control, por lo que existen múltiples trayectorias de retorno para ala corriente de fase Como Detectar un Sistema Neutro-Tierra Incorrecto La relación del voltaje entre los conductores neutro y de tierra puede ser un buen indicio de la calidad del sistema de tierra. En una instalación de alto grado, todas las conexiones de alambrado son de mínima resistencia y su cantidad se mantienen en un mínimo. La unión del conductor neutro a la cubierta del equipo (tierra) en un tablero secundario produce un flujo de corriente sin control, por lo que existen múltiples trayectorias de retorno para la corriente de fase. Supuestamente el conductor de tierra nunca transporta corriente o está destinado a transportar corriente. Si el conductor neutro porta corriente, habrá un voltaje generado entre este y los conductores de tierra, que representa una caída de voltaje en el conductor neutro. Con una unión apropiada neutro-tierra, no existe corriente en el conductor de conexión a tierra, una medición hecha entre el conductor neutral y el conductor a tierra, por ejemplo en un receptáculo o en un tablero secundario mostrara el voltaje desarrollado, desde ese punto en el conductor neutro al punto de unión neutro-tierra. El voltaje es el producto por la cantidad de corriente del conductor neutro, multiplicada por la resistencia del conductor neutro, más cualquier otra conexión resistiva entre los puntos de unión neutro-tierra y el punto de medición. La

34 figura 2.7 representa los resultados de una unión neutro tierra incorrecta. En la grafica puede observarse picos de energía que exceden los 23 volts de pico a pico. Por ejemplo: se supone que un conductor neutro formado por 30 metros (100pies) AWG #12 de cobre que transporta una corriente senoidal de 5 amperios. El voltaje de neutro a tierra será la impedancia será la impedancia de 30 m (100 pies) de # 12 de alambre de cable de cobre (0.17 ohms) usando la columna Z efectiva a 0.85 FP, figura 12-8 (tabla 9 del Código), multiplicada por la corriente (5 amperios) V = IZ = 5x0.17 = 0.85 volts rms Si se toma una medición real el punto de 30m (100 pies, usando una lectura real de rms del voltímetro) y el resultado del valor de voltaje es demasiado alto (superior a 2 volts, por ejemplo) puede existir una falla de conexión de alta resistencia o una conexión floja en el conductor neutro. Si el resultado de la medición es muy bajo (menor a 0.85 mili volts, por ejemplo) el neutro y la tierra pueden estar tocándose (en cortocircuito) en algún punto más cercano al neutro que al punto de unión neutro tierra. Se llega a esta conclusión si se supone que la corriente se conoce; en este caso se considera de 5 amperios. Un voltaje neutro-tierra alto puede interrumpir súbitamente las operaciones y causar errores de datos al sistema electrónico cuando esta señal de ruido de voltaje se acopla a la fuente de alimentación de cd. La fuente de alimentación puede tener capacitores de acoplamiento que están conectados entre la tierra de voltaje cd de referencia y el conductor a conexión a tierra de voltaje de ca, para reducir el ruido de salida de cd. La tierra de referencia de voltaje (referencia cero para lógica) también esta acoplada al conductor neutro por medio de la capacitancia a través de los diodos en los rectificadores y la capacitancia de devanado del transformador de alta frecuencia en la fuente de alimentación conmutada de cd. Figura 2.7. Medida de voltaje neutro tierra con un osciloscopio

35 Cualquier frecuencia de ruido presente entre los conductores neutros y tierra en el lado del voltaje de ca de la fuente de alimentación cd, puede acoplarse a través de estas capacitancias a la señal de salida de cd que alimenta a los circuitos integrados (CI) del equipo electrónico. Los fabricantes de equipo electrónico especifican un máximo voltaje neutro-tierra para sus respectivos equipos. Puede estar especificado en rms volts, como por ejemplo 0.5 Vrms, o el voltaje de pico a pico, por ejemplo 2 Vpp. El diseño del sistema de distribución para cualquier equipo electrónico debe considerar la última cifra mencionada y el calibre del cable neutro tendrá que escogerse para asegurar una caída de voltaje de menos de 2 volts, de pico a pico, en el punto de instalación del equipo. Dos volts pico a pico es igual 0.7 volts rms de acuerdo con la formula. Para el siguiente Vpp = Vrms x Vrms = Vpp/2.828 Vrms = 2/2.828 = 0.7V Para el siguiente ejemplo la medida de 0.85 Vrms se convierte en: Vpp = 0.85x2.828 = 2.4V Si los 30 m (100 pies) de conductor de AWG #12 Esta transportando su corriente limite, 20 amperios el voltaje de pico a pico seria: Vpp = 20x0.17x2.828 = 9.6V En este caso la impedancia debe reducirse para que produzca un voltaje neutro-tierra aceptable. Con el fin de lograr un voltaje neutro tierra inferior de 2 Vpp en nuestro ejemplo, la impedancia debe ser menor que: Z = 2/(20x2.828) = ohms Existen tres posibilidades para reducir la impedancia a ohms: 1. Aumentar el calibre neutro y por lo tanto reducir la impedancia. En la tabla de figura 1.8 encontramos que sería necesario instalar un neutro AWG #4, el cual tiene una impedancia de ohms para cada 30 m (100 pies) 2. Disminuir la longitud del alambre calibre AWG # 12 a 6 m (20 pies), tendría una impedancia total de ohms. Esto se puede hacer instalando una fuente derivada separadamente cerca del equipo. Las posibilidades serian un transformador de aislamiento, un transformador reductor, una unidad de distribución de alimentación (con un transformador interior), etc. 3. Combinando las posibilidades 1 y 2. Anexo 1.xls

36 2.7.- Selección del Calibre del Cable para Cumplir con las Normas de la Industria de las Computadoras. La especificación de voltaje neutro-tierra, que establece un voltaje inferior a 2 volts pico a pico, puede ser difícil de obtener. Este voltaje resulta de la corriente que fluye en el conductor neutro y es producto de ella y de la resistencia del alambre El balance adecuado de las cargas polifásicas reducirá la corriente en el neutro Esta no es una poción para un circuito monofásico. En este circuito la resistencia debe reducirse mediante el uso de alambres de longitud más corto o de mayor calibre, números pequeños de calibre AWG. Los tramos largos de cable requieren aumentar el calibre del conductor neutro en el diseño a medida que aumenta la distancia. La resistencia conocida de los alambres de cobre y aluminio las proporciona la tabla 9 del Código. Las unidades de resistencia en esta tabla son en ohms por 300 m (1000pies) de alambre. Para calcular el calibre real del conductor neutro y lograr la especificación de voltaje de 2 volts pico a pico, neutro-tierra, dados los factores de ajuste de voltaje del 80%, se puede utilizar la formula siguiente, la cual es una formula empírica para el cálculo aproximado del conductor neutro, y que se usa junto con la tabla 9 del Código. R = 1000/(Ibc x Lm) En donde: Lm = Longitud máxima del alambre en pies Icb = Capacidad de corriente de disparo para el interruptor del circuito R = Resistencia del conductor neutro en ohms por 300 m (1000 pies) de alambre En el ejemplo siguiente se aplican estas herramientas practicas para seleccionar el calibre del neutro: En un sitio se requiere instalar un sistema computarizado que debe ubicarse a 19.5 m (65 pies) del tablero de distribución eléctrica para computadoras más cercano. Calcule el calibre el conductor neutro requerido para un circuito de 20 amperios, usando la forma dada anteriormente. R = 1000/ (Ibc x Lm) = 1000 / (20 x 65) = 0.77 ohms / 30 m (1000 pies) Usando los valores dados en la tabla 9-Z del Código, efectiva a 0.85 FP, y usando conducto de acero, seleccionamos un conductor de cobre AWG #8 o #6. Los conductores de aluminio no ofrecen seguridad en calibres menores del número 4 dentro de un edificio, así que seleccionaremos un conductor de cobre #8. Por tanto, este circuito requiere tres conductores de cobre AWG # 12: para la fase, el sistema a tierra y la tierra de seguridad y un conductor neutro de cobre del #8. Si posteriormente la carga monofásica instalada requiere 9 amperios para operar, también tendríamos 9 amperios de corriente neutra. Calcule el voltaje pico a pico neutro-tierra para un cable de 19.5 m (65 pies) de largo:

37 Vrms = (0.7 x 0.065) x 9 = 0.41 V Vpp = 0.41 x x 2 = 1.16 V Si la corriente de carga aumenta a 16 amperios: Vrms = (0.7 x 0.065) x 16 = 0.73 V Vpp = 0.73 x x 2 = 2.06 V Especificaciones para la Unión Eléctrica del Sistema La corriente de los rayos sigue la trayectoria de mínima resistencia a tierra. Cuando un edificio recibe una descarga de este tipo. La corriente que fluye puede seguir como trayectoria la estructura metálica del inmueble, las líneas de energía, los conductos de cables u otros conductos metálicos. Si uno de estos conductores esta cerca de una instalación de computadoras, pueden generarse diferencias significativas de potencial, a menos que se tomen precauciones especiales. Un pulso de amperios desarrolla 5000 volts a través de 0.25 ohms. Esto es solo 0.05 mircoherys a 1.0 megahertz. Las diferencias de potencial de esta magnitud pueden destruir el equipo electrónico (hardware). Si todo el metal de un edifico se une cuidadosamente, la diferencia de potencial minimizara y se reducirán las posibilidades de daños causados por los rayos. En una instalación típica de computadoras puede parecer que la confiabilidad del sistema de alimentación no concuerda con los requisitos de conexión a tierra. La tierra de seguridad que conecta a los equipos forma lazos de tierra. Esto se combina con la necesidad de tierra para prevenir daños causados por los rayos. La apertura de uniones reduce el flujo de la corriente de ruido, pero esto se contrapone con las necesidades previamente descritas. Los inductores de separación se han usado, pero esta operación no ha sido favorable por las agencias reguladoras, debido a las altas impedancias a tierra que presentan altas frecuencias Este dilema se puede resolver usando un plano de tierra - con frecuencia a tierra -, adecuadamente diseñado, el cual puede servir como piso de sala de computadoras. La figura 2.9 ilustra el plano equipotencial.