baja tensión

CURSO SPT CIMEMOR – BAJA TENSIÓN

Dr. Arturo Galván Diego. 1

Sistema de puesta a tierra en sistemas de baja tensión de c.a.

Propósito del sistema de puesta a tierra El sistema de puesta a tierra para sistemas de distribución y circuitos de c.a. en baja tensión tiene cuatro propósitos principales: Protección contra sobre voltajes. El rayo, sobre tensiones transitorias o el contacto no intencional de líneas de alta tensión pueden causar elevaciones de tensión peligrosas en los sistemas de distribución. La puesta a tierra ofrece una trayectoria alterna en el sistema eléctrico del hogar, oficina, trabajo o industria para reducir el daño por tales eventos Referencia para la tensión. Existen muchas fuentes de electricidad. Cada transformador puede considerarse como una fuente separada. Si no existiera una referencia común para todas estas fuentes, sería sumamente difícil calcular las relaciones de tensión entre ellas. La tierra es el elemento más grande que existe en el planeta que puede utilizarse como una superficie o volumen conductivo. Operación de dispositivos de protección. La puesta a tierra proporciona una trayectoria de retorno de baja impedancia a la fuente para las corrientes de falla. Seguridad de las personas. Esta es la principal razón para la puesta a tierra en redes de distribución y circuitos de baja tensión. Cuando todas las partes metálicas de los equipos eléctricos están conectados a tierra y el aislamiento interno del equipo falla, no se presentan tensiones peligrosas en la envolvente del equipo. Cuando esto sucede (el conductor energizado toca la envolvente del equipo) el circuito eléctrico está efectivamente cortocircuitado y los fusibles operan inmediatamente, eliminando las tensiones peligrosas. Independientemente del uso que se le asigne al sistema de puesta a tierra, NUNCA debe comprometerse la seguridad de las personas.

Condición de corto circuito

La única forma que una persona puede sufrir un evento de electrocución al tocar una línea energizada es cuando se encuentra en contacto con la tierra bajo cualquier circunstancia (en contacto con una tubería de agua, en contacto con partes metálicas conectadas s tierra, en contacto con el conductor neutro o de pie en contacto con el suelo.



Anteriormente, los equipos y electrodomésticos del hogar eran alimentados únicamente con dos conductores (fase y neutro), dejando la envolvente del equipo en forma flotada. Sin embargo, pronto se llegó a reconocer que esta situación favorecía las condiciones de peligro de electrocución en el caso de que la envolvente llegase a tener contacto incidental o accidental con el conductor de fase energizado. Esta condición puede generarse debido al deterioro del aislamiento del conductor de fase energizado, falla en el circuito eléctrico de alimentación o condiciones extremas de vibración o desplazamiento en las partes “vivas” del circuito eléctrico por el movimiento del equipo en su operación normal. La Figura 0 muestra la condición que se presenta cuando el conductor “vivo” o de fase energizado toca la envolvente, produciéndose un corto circuito en el sistema.

FIGURA 0 CONDICIÓN DE CORTO CIRCUITO EN UN SISTEMA DE BAJO VOLTAJE

La condición de corto circuito causa la generación de corrientes elevadas de falla que fluyen en el circuito, causando la operación del fusible del interruptor. La corriente de falla puede alcanzar niveles elevados, ya que la impedancia que “ve” la falla puede ser muy baja (la impedancia de la fuente y la impedancia de los conductores del circuito eléctrico). Se estima que a nivel industrial, el 80% de las fallas en el sistema eléctrico son ocasionadas por problemas en la puesta a tierra, y en esta categoría las fallas de fase a tierra representan un alto porcentaje.

Corrientes en el conductor de puesta a tierra. Los conductores de puesta a tierra no deben conducir corrientes eléctricas, excepto cuando se produce una falla o una condición anómala en el sistema. Si estos conductores de puesta a tierra llevaran normalmente corrientes eléctricas, entonces existiría una diferencia de potencial en diferentes puntos de la longitud el conductor



de tierra o de puesta a tierra. Esta condición implica que la práctica de que un conductor tenga la función dual de tierra y neutro ponga en peligro al personal, al equipo y al sistema. A pesar de que se tenga un conductor dedicado para la referencia a tierra del sistema o como medio de seguridad para las personas, es imposible eliminar completamente la circulación de corrientes en él, ya que existen corrientes capacitivas generadas entre el conductor de fase y el conductor de tierra. Sin embargo, estas corrientes son bajas, del orden de los 10 mA, dependiendo del equipo conectado al circuito eléctrico.

Corriente eléctrica (mA) Efectos Hasta 1 Imperceptible para el hombre

2 a 3 Sensación de hormigueo 3 a 10 La persona consigue generalmente desprenderse del

contacto, de manera que la corriente no es mortal 10 a 50 La corriente no es mortal si se aplica durante

intervalos decrecientes a medida que aumenta su intensidad. De lo contrario, los músculos de la respiración se ven afectados por calambres que pueden provocar la muerte por asfixia

50 a 500 Corriente peligrosa en función creciente con la duración del contacto que da lugar a la fibrilación ventricular.

Más de 500 Decrece la posibilidad de fibrilación, pero aumenta el riesgo de muerte por parálisis del centro nervioso.

Arreglos de conductores de puesta a tierra en áreas industriales El estándar IEEE-665-1995 define diferentes arreglos de conexión a tierra para plantas generadoras, en especial para los servicios propios de estas plantas. Sin embargo, estos arreglos también se aplican para las instalaciones de subestaciones en media tensión, y sobre todo de subestaciones que alimentan cargas lejanas. Las diferencias entre estos arreglos se analizaran en el desarrollo de este punto. Para entender estos arreglos, es necesario mencionar la definición de tres tipos de conexión a tierra, que establece el estándar IEEE-665-1995, la Figura 1 y la siguiente lista aclaran las diferencias entre un tipo y otro:

a) La conexión a tierra del neutro (p.ej., conexión sólida a tierra, a través de resistencia, etc.) tiene la función de establecer la referencia del sistema eléctrico. La conexión a tierra del neutro generalmente se hace en el punto neutro de la fuente de suministro (generador o transformador).

b) La conexión a tierra de seguridad tiene la función de proteger a las

personas y a la propiedad de posibles daños ocasionados por fallas. Las



conexiones a tierra de seguridad se hacen en las partes metálicas del sistema que normalmente no están energizadas pero que puede llegar a estarlo bajo condiciones anormales de operación.

c) La conexión a tierra para equipo asegura una trayectoria de retorno de

baja impedancia para las corrientes de tierra en el caso de que se presente una falla eléctrica entre los conductores energizados y las envolventes de los equipos. Si tal trayectoria de retorno es confiable, la protección del circuito eléctrico será capaz de interrumpir la falla en un corto tiempo.

FIGURA 1 DEFINICIÓN DE LOS TIPOS DE CONEXIÓN A TIERRA

Conexión a tierra por medio de un conductor común, el cual se dirige al punto de conexión a tierra del neutro

Este es un arreglo muy utilizado por los sistemas que cuentan con protección de falla a tierra, ya que proporciona una buena trayectoria de retorno para la corriente de falla y también una buena conexión a tierra para la envolvente de los equipos. Sin embargo la conexión a tierra para equipo puede ser insegura debido a posibles diferencias de potencial entra la envolvente y una conexión a tierra local. Se recomienda disponer de un bus principal de conexión a tierra, que puede estar en el tablero principal o en el centro de control de motores. A éste bus se debe conectar



el neutro del transformador o fuente de alimentación (sólidamente o a través de impedancia), y el bus debe estar conectado a la red de tierra. Desde este bus principal de conexión a tierra, debe instalarse un conductor de puesta a tierra que acompañe a los conductores del circuito dentro de la misma canalización. Esto es importante porque reduce la reactancia del circuito que forma el conductor de puesta a tierra. Desde este conductor principal podrán hacerse derivaciones hacia los equipos que lo requieran.

FIGURA 2 CONEXIÓN A TIERRA POR MEDIO DE UN CONDUCTOR COMÚN, EL CUAL SE EXTIENDE A LA CONEXIÓN A TIERRA DEL NEUTRO

Conexión a tierra por medio de conductores individuales, los cuales

se dirigen al punto de conexión a tierra del neutro Este también es un arreglo recomendable para sistemas con protección de falla a tierra, ya que proporciona una buena trayectoria de retorno para la corriente de falla a tierra. Este arreglo presenta las siguientes ventajas:

a) Es más confiable, puesto que cada equipo es aterrizado por su propio conductor, no existen conexiones múltiples.



b) Asegura que el conductor de puesta a tierra este instalado junto con los conductores del circuito.

c) Se recomienda particularmente para cargas monofásicas, aisladas, y alimentadas con cables de gran longitud.

De la misma manera, existen algunas desventajas:

a) Existe la posibilidad de una caída de tensión en el conductor de puesta a tierra si los circuitos derivados son muy largos y la sección transversal del conductor pequeña.

b) Este arreglo utiliza más cantidad de cobre, la decisión entre usar este arreglo y otro con un conductor común de puesta a tierra dependerá de razones económicas y de cumplimiento con la normatividad aplicable.

FIGURA 3 CONEXIÓN A TIERRA POR MEDIO DE CONDUCTORES INDIVIDUALES, LOS CUALES SE EXTIENDEN A LA CONEXIÓN A TIERRA DEL NEUTRO



Conexión a tierra únicamente con el conductor de puesta a tierra de seguridad, el cual se conecta a la red de puesta tierra en un punto

local La principal ventaja de este arreglo es que minimiza los voltajes de contacto, puesto que interconecta los equipos y estructuras en las cuales se encuentra el personal. Por esta razón, se sugiere este arreglo en sistemas que cuentan con indicaciones de alarma para situaciones de falla a tierra. Este arreglo también se utiliza para aterrizar las estructuras metálicas de la estación, edificios auxiliares, y todas las partes metálicas expuestas no energizadas que puedan estar sujetas a electrostática o inducción. El conductor de puesta a tierra se extiende directamente al electrodo de puesta a tierra más cercano o a la red de tierra que conecta a estos electrodos. En este caso se recomienda el uso de conductores de puesta a tierra individuales. Las estructuras metálicas de la instalación pueden utilizarse como conductores de puesta a tierra sólo si se cumplen las siguientes condiciones:

a) La sección transversal es adecuada para las corrientes de falla a tierra b) Todas las uniones metálicas son interconectadas con conexiones diseñadas

adecuadamente c) La estructura es permanente y no está sujeta a cambios que puedan

ocasionar la interrupción de la conexión a tierra.

FIGURA 4 CONEXIÓN A TIERRA ÚNICAMENTE CON EL CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA DE

SEGURIDAD, EL CUAL SE CONECTA A LA RED DE TIERRA EN UN PUNTO LOCAL



Una desventaja de este arreglo es que no ofrece una buena trayectoria de retorno para la corriente de falla, puesto que la impedancia de tierra está incluida en el circuito y el lazo que se forma (ground loop) puede ocasionar una alta reactancia.

Conexión a tierra dual con la puesta a tierra para equipo y una puesta a tierra local de seguridad (conexión adicional a la red de

puesta a tierra) Este arreglo es ampliamente recomendado en todos los casos. Proporciona una trayectoria confiable de retorno para la corriente de falla a tierra y al mismo tiempo limita los voltajes de contacto. El arreglo combina la conexión a la tierra del neutro con la conexión de seguridad a la red de puesta a tierra. La conexión a la tierra del neutro proporciona una buena trayectoria de retorno para la corriente de falla a tierra mientras que la conexión a la red de puesta a tierra limita los voltajes de contacto. La única desventaja es el costo más elevado.

FIGURA -5 CONEXIÓN A TIERRA DUAL CON LA PUESTA A TIERRA PARA EQUIPO Y UNA PUESTA

A TIERRA LOCAL DE SEGURIDAD (CONEXIÓN ADICIONAL A LA RED DE TIERRA)



Equipos que deben conectarse a tierra El tema de los equipos que deben conectarse a tierra en circuitos de baja tensión (hasta 1000 V) será discutido durante el curso con material tomado del libro “Sistemas de Puesta a Tierra”, cuyo autor es el Ing. Alfredo Juárez Torres.

Neutro del sistema El conductor neutro está diseñado para transportar corriente, especialmente en un sistema monofásico, ya que es la trayectoria de regreso para las corrientes de fase desequilibradas en los sistemas de fase divididas en sistemas trifásicos conectados en estrella. Toda la corriente de fase en un sistema monofásico debe regresar por el neutro. En un sistema de fase dividida (2F y N) o un sistema trifásico en estrella (3F y N) que alimentan cargas lineales (motores, calentadores, etc.) la corriente que circula por el neutro corresponde al desbalance entre las fases. Si la corriente que fluye en cada conductor de fase en un sistema trifásico es la misma, la corriente que circula por el neutro será cero, debido a la suma vectorial de los mismos.



El conductor neutro es el conductor llamado “Puesto a Tierra” y debe conectarse al sistema de puesta a tierra en la fuente principal. Para el caso de un edificio, el neutro del sistema (generalmente en un transformador) debe conectarse a la barra principal ubicada cerca del tablero principal del sistema de distribución. La sección 250-23 de la NOM-001 establece que no debe realizarse ninguna conexión a tierra de ningún conductor del circuito conectado a tierra en el lado de la carga. Esto implica que el neutro debe conectarse a tierra en un solo punto del circuito eléctrico de baja tensión. Debido a que cada transformador se considera una fuente independiente, su neutro nuevo respectivo debe conectarse al sistema de puesta a tierra en un punto práctico y más cercano a la fuente independiente. El tamaño debe cumplir con lo establecido en la tabla 250-94 de la NOM-001. Un aspecto importante es que el sistema de puesta a tierra para las diversas fuentes independientes sea un sistema común, es decir, independiente de que se tengan sistemas o subsistemas independientes para cada fuente, éstos deben estar unidos entre sí a nivel de suelo para formar una conexión efectiva. Cuando el conductor neutro es conectado en diversos puntos de la instalación, parte de la corriente que fluye en el conductor neutro circulará también en los diversos equipos que tengan una conexión a tierra en los diversos puntos de la instalación, lo que genera una condición peligrosa de potenciales, elevando el riesgo de electrocución para el personal.



ESQUEMÁTICO DE LA ACOMETIDA, DE ACUERDO A MORRIS/LEWIS



ALAMBRADO EN LA ACOMETIDA, DE ACUERDO A MORRIS/LEWIS



ALAMBRADO TÍPICO SOLIDAMENTE PUESTO A TIERRA, DE ACUERDO A MORRIS/LEWIS



ALAMBRADO TÍPICO DEL CONDUCTOR DE TIERRA AISLADO, DE ACUERDO A MORRIS/LEWIS

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