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Escuela de Ingeniería EléctricaIE – 1071
Diseño Eléctrico I
Prof. Luis Fdo. Andrés Jácome
Agosto, 2011
INTRODUCCIÓN
¡Qué tema tan inmenso y noble el de las puestas a tierra!
Presenta unas características muy particulares, entre las que citaremos: es un rompecabezas que le saca canas verdes a muchos; siempre ha estado rodeado de mitos y misterios; permite la ubicación de sus adeptos, desde el extremos puramente teórico, hasta
la más simple artesanía práctica; facilita tapar con tierra los desaciertos: le permite especular a muchos, delirar a
unos pocos y posar de sabelotodo al que tenga una audiencia de bajo niveltécnico, y en muchas ocasiones visto como un simple requisito, por lasoportunidades de evitar las normas;
alcanza hasta para hacer trueque de los parámetros eléctricos.¿No será qué por no estar al alcance de los ojos, algunos también las alejan de la
mente? En este panorama, el tema es tomado en la mayoría de las veces, con unasimpleza tal, que raya en la irresponsabilidad; quizás por su definición general tansimple. Por todo ello, en la práctica cotidiana se ven las ochocientas formas deconstruir y conectar mal un sistema de puesta a tierra. Pero la naturaleza es sabiay ha encontrado en los daños su mejor forma de protestar por tanto olvido.
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Sistemas de puesta a tierraNEC 250
Tomado del libro “Tierras soporte de seguridad eléctrica” de FavioCasas Ospina
FACTORES CULTURALES Y LEGALIDAD ¿Por qué en los EEUU sí se cumple el National Electrical Code?
Además de las diferencias culturales y económicas entre Colombia y los EEUU ydel hecho de que el NEC es 100 años mas viejo que el CEC, existen un par depoderosas razones que han estimulado el cumplimiento del NEC:
En primer lugar, las compañías de seguros de los EEUU tienen inspectoresespecializados que, después de cada siniestro, inspeccionan minuciosamente lasinstalaciones eléctricas buscando cualquier violación de las reglas vigentes delNEC cuando se efectuó la instalación, con el fin de no tener que pagar el seguro.
La segunda razón es que tan pronto se determina que la causa de una muerte o deun accidente grave fue una violación del NEC, los abogados de la parte afectada,entablan inmensas demandas en contra de los constructores o electricistasresponsables, pudiéndolos castigar con cárcel, hasta 30 ó 40 años después dehaber sido realizada la instalación. Por lo tanto, no sólo las compañías de segurossino los mismos constructores y electricistas son los más interesados en estudiar ycumplir hasta el más mínimo detalle del Código.
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Sistemas de puesta a tierraNEC 250
Sistemas de puesta a tierraNEC 250
¿Por qué aterrizar los sistemas y circuitos?
Protección del personal (Tierra de Seguridad)Protección del equipo (Tierra Aislada)
Razones básicas para el aterrizamiento
Limitación de las tensiones causados por la rayería o por contactoaccidental de conductores de la empresa distribuidora conconductores de alta/media/baja tensión.
Estabilización de la tensión bajo condiciones normales de operación (locual mantiene la tensión a un nivel relativo a tierra, con lo cualcualquier el equipo conectado al sistema será sometido solamentea una diferencia de potencial).
Facilitar la operación de un dispositivo de sobrecorriente, tales comofusibles, disyuntores termomagnéticos o reles, bajo una condiciónde falla a tierra (brindar un camino de baja impedancia).
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PUESTAS A TIERRA NEC (2005), IEEE 142 e IEEE 80
DEFINICIONES IDIOMÁTICAS
DEFINICIONES IDIOMÁTICAS
PUESTAS A TIERRA NEC (2005), IEEE 142 e IEEE 80
DEFINICIONES IDIOMÁTICAS
GROUNDED: CONDUCTOR AISLADO QUE INTENCIONALMENTE ES PUESTO A TIERRA (NEUTRO)
GROUNDING: CONDUCTOR DESNUDO O AISLADO QUE ESTÁ
PUESTO A TIERRA (TIERRA)
BOUNDING: ENLAZAMIENTO O CONEXIÓN EQUIPOTENCIAL.
Sistemas de puesta a tierraNEC 250
Puesta a Tierra
La denominación “puesta a tierra” comprende cualquierunión metálica directa, sin fusible ni protección alguna, desección suficiente, entre una parte de una instalación y unelectrodo o placa metálica, de dimensiones y situacióntales que, en todo momento, pueda asegurarse que elconjunto está prácticamente al mismo potencial de latierra.
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Sistemas de puesta a tierraNEC 250
Seguridad en la Puesta a Tierra
La gente a menudo asume que cualquier objeto aterrizadopuede ser seguro al toque, pero una baja resistencia a tierra deuna subestación no es en si misma una garantía de seguridad.No se trata de una simple relación entre la resistencia delsistema de puesta a tierra y la máxima corriente de choque a lacual una persona puede ser expuesta, por tal razón unasubestación con relativa baja resistencia de puesta a tierrapuede ser peligrosa y de forma equivalente una subestacióncon muy alta resistencia de puesta a tierra ser segura porrazones de diseño.
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Efectos de la corriente en el ser humano
Aislamiento
Las instalaciones eléctricas deben estar diseñadas paraprevenir el peligro de cualquier contacto accidental de laspartes metálicas circundantes con los elementos que seencuentran bajo tensión, los cuáles deben estar provistosde los apoyos y aisladores adecuados.
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Potencial Anormal
Aún con estos medios de seguridad permanece el peligrode que estas partes normalmente aisladas puedan tenercontacto con las partes que no están a tensión y se tengaun potencial anormal con respecto al suelo (tierra) estopuede ocurrir por alguna causa accidental o defectos deaislamiento.
Por tal motivo se han establecido dos tensionesimportantes en el diseño
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Efectos de la corriente en el ser humano
npt
kV
10
1000
61
10 s
npt
kV
La tensión de paso VP: Se define como la tensión que durante el funcionamiento de
una red de tierras puede resultar entre el pie de una personaapoyada en el suelo a la distancia de un metro (1 paso) o entreun pie y el otro en forma convencional.
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Aplicables al ser humano
Máximas admisibles en una instalación
Efectos de la corriente en el ser humano
Efectos de la corriente en el ser humano
nct
kV
1000
5.11 s
nct
kV
La tensión de contacto VC: Es la tensión a la cual se puede ver sometido el cuerpo
humano por contacto con una carcasa o estructura metálicaque normalmente no está en tensión de una máquina oaparato.
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Aplicables al ser humano
Máximas admisibles en una instalación
Efectos de la corriente en el ser humano
La tensión de contacto Vc y paso Vp:
Vc: Voltaje de contacto
Vp: Voltaje de paso
t: Duración de la falla
K y n : Constantes función del tiempo, dependen de lacurva de I/t del relé.
0.9 ≥ t > 0.1 segundos, k=72 y n=1
3.0 ≥ t > 0.9 segundos, k=78.5 y n=0.18
5.0 ≥ t > 3.0 segundos, Vc=64 V, Vp=640 V
t > 5.0 segundos, Vc=50 V, Vp=500 V
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Efectos de la corriente en el ser humano
Corriente mortal
Como se sabe una corriente eléctrica que circula por el cuerpohumano puede producir un efecto más o menos grave einclusive resultar mortal según sea su intensidad y duración, sunaturaleza así como las condiciones en que se encuentre lapersona afectada.
Rango de corriente tolerable (IEEE Std 80)
Efectos de la corriente eléctrica pasando a través delpartes vitales de cuerpo humano dependen de laduración, magnitud y frecuencia de esta corriente, lamás peligrosa consecuencia de tal exposición para elcorazón es la condición conocida como fibrilaciónventricular, resultando en la inmediata supresión de lacirculación sanguínea.
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Efectos de la corriente en el ser humano
Límite de corriente tolerable por el cuerpo humano
(IEEE Std 80, cláusula 6)
La magnitud y duración de la corriente conducida a travésdel cuerpo humano para 50 Hz y 60 Hz debe ser menor queel valor que pueda causar fibrilación ventricular del corazón.
Importancia del pronto despeje de la falla
(IEEE Std 80, cláusula 5.3)
El corazón aumenta la susceptibilidad a la fibrilación ventricularcuando el tiempo de exposición a la corriente es aproximado alperíodo de palpitación del corazón y que el riesgo diminuye si eltiempo de exposición se encuentra en el rango de 0.06 a 0.3s (60a 300ms) (Biegelmeier y Lee).
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Efectos de la corriente en el ser humano
Duración de la corriente tolerable por el cuerpo humano 100mA
Como resultado de experimentos realizados en la Universidadde Columbia (Ferris 1936) con animales cuyo cuerpo ycorazón fueran comparables al peso de los seres humanos,para esto fueron sometidos a choques eléctricos cuyaduración máxima fue de 3 seg.
Duración de la corriente tolerable por el cuerpo humano50 a 500 mA
Es el resultado de experimentos más recientes y sugieren laexistencia de dos tiempos de exposición uno cuya duración esinferior a un latido del corazón (0.2 seg.) y el otro cuyaduración es muy superior a un latido del corazón (2 seg. ymayor) respectivamente para un adulto de 50 kg(Biegelmeier)
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Efectos de la corriente en el ser humano
Duración de la corriente tolerable por el cuerpo humano (IEEE Std. 80, cláusula 6)
Charles Dalziel (1904-1986) fue profesor de Ingeniería Eléctrica y Cienciasde la Computación en la Universidad California Berkeley.
Dalziel estudió los efectos de la electricidad en animales y humanos.Escribió el libro: “Los efectos de la descarga eléctrica sobre el hombre”,en el que explica los efectos de diferentes cantidades de energíaeléctrica en seres humanos.
Él es también el inventor del interruptor del circuito de falla a tierra (GFCI,siglas en inglés ground-fault circuit interrupter) que inventó en 1961. ElGFCI se instala comúnmente en baños o cocinas en casa. La salidafunciona normalmente hasta los 5 miliamperios pasa desde el aparato alsuelo.
Charles Dalziel fue un pionero en la comprensión de una descarga eléctricaen los seres humanos.
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Año a partir del cual la protección GFCI serequiere para la aplicación especificada
Año Aplicación 1968 Swimming Pool Underwater Lighting 1971 Receptacles Near Swimming Pools 1973 Outdoor Receptacles 1975 Bathroom Receptacles 1978 Garage Receptacles 1981 Whirlpools and Tubs 1987 Receptacles Near Kitchen Sinks 1990 Receptacles in Unfinished Basements and
Crawl Spaces 1993 Receptacles Near Wet Bar Sinks 1996 All Kitchen Counter-Top Receptacles 2005 Receptacles Near Laundry and Utility Sinks
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Efectos de la corriente en el ser humano
Charles Dalziel(1904-1986)
Efectos de la corriente en el ser humano
Duración de la corriente tolerable por el cuerpo humano
(IEEE Std. 80, cláusula 6)
Según Dalziel:
El 99,5% de las personas pueden soportar en forma segurasin sufrir fibrilación ventricular por el paso de la corriente,para una magnitud y duración determinada por las siguientesfórmulas:
donde: y
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S
Bt
kI
BSk SBB tIS 2)(
Efectos de la corriente en el ser humano
Duración de la corriente tolerable por el cuerpo humano (IEEE Std 80, cláusula 6)
IB : Es la magnitud rms de la corriente a través del cuerpoen Amperios.
ts : Tiempo de exposición a la corriente en segundos-
SB: Constante empírica que relaciona la descarga deenergía eléctrica tolerable para un cierto porcentaje de lapoblación.
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Duración de la corriente tolerable por el cuerpo humano (IEEE Std 80, cláusula 6)
Dalziel encontró que para personas con un promedio de peso
de 50 kg el 99.5% sobreviviría a una descarga eléctrica que
resulta en un valor para SB de 0.0135 con k=0,116, que
resulta en valores de 116 mA para tiempos de exposición de
1 seg. y 367 mA para un tiempo de exposición de 0.1 seg.;
posteriormente, determinó un SB de 0.0246 con k =0.157
aplicable a personas de 70 kg de peso.
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Efectos de la corriente en el ser humano
Efectos de la corriente en el ser humano
0 hasta 2mA:
Percepción de circulación de corriente en ambas manos
10 hasta 20mA:
Contracción muscular evitando soltarse del conductor.
20 hasta 30mA:
Afecta las funciones respiratorias y circulatorias al extremo de detenerse (muerte aparente)
70 hasta 125mA:
Fibrilación ventricular causando daños cerebrales y hasta la muerte.
Resistencia del cuerpo humano: 1000 a 2000 .
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Efectos de la corriente en el ser humano
Conexión a tierra
El peligro de choque eléctrico se puede reducir y
eventualmente eliminar si entre las partes metálicas que
no están a potencial y el suelo se establece una conexión a
tierra conveniente, que se denomina “conexión a tierra”
que se caracteriza por un valor suficientemente bajo como
para evitar potenciales que resulten peligrosos.
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NEC 250.4(A)(5)
En Resumen:
La conducción a tierra desde circuitos, equipos ycarcasas debe ser:
Permanente y eléctricamente continua.
Con capacidad suficiente para conducir la corrientede falla máxima.
Impedancia baja para limitar la tensión a tierra yfacilitar la operación de los sistemas de protección
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La tierra (suelo) no será usada como el único
conductor de tierra o trayectoria de corriente de fallaTablero
B/N
Tubería no
metálica
B/T
Carcasadel
MotorM
Corto circuito
Z (Impedancia)
VoltajePeligroso
La magnitud de lacorriente podría no ser suficientepara disparar la
protección
En algunos casos aterrizan
la carcasa localmenteS
ervic
io e
léctr
ico
NEC 250.4(A)(5)
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La tierra (suelo) no será usada como el único
conductor de tierra o trayectoria de corriente de falla
B/N
Tablero
Tubería no
metálica
B/T
Carcasadel
MotorM
Corto circuito
Z (Impedancia)
VoltajePeligroso
La magnitud de lacorriente podría no ser suficientepara disparar la
protección
En otros casos no aterrizan la carcasa hasta que aparece una víctima
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NEC 250.4(A)(5)
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Cable dañado en contacto con metal
Sistemas sin puesta a tierra de equipo(Puesta a tierra de seguridad)
NEC 250.4(A)(5)