(sanz) - sistemas de puesta a tierra
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Sistemas de Puesta a TierraTRANSCRIPT
SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Marco conceptual
RESUMEN
Los sistemas de protección y los sistemas de puesta a tierra
(SPAT), requieren una dedicada revisión y diseño, por ser la base
fundamental ó soporte de todos nuestros sistemas de referencias
en operación, protección y único sumidero de perturbaciones no
deseadas en nuestras instalaciones, único medio capaz de
garantizar el resguardo de la estructura física y del personal, en
pro de la calidad del servicio, en una sociedad altamente
competitiva.
ABSTRACT
The systems of protection and the systems of earthing (SPAT),
require one dedicated to overhaul and design, being the
fundamental base or support of all our systems of references in
operation, protection and only drain of disturbances nonwished in
our facilities, only means able to guarantee the defense of the
physical structure and the personnel, for the quality of the service,
in a highly competitive
society.
Alan Duque
Gerente Demo Ingeniería Ltda.
Ingeniero Electricista UTP.
e-mail:
Jorge Humberto Sanz Alzate
Profesor Asistente Universidad
Tecnologica de Pereira.
e-mail: [email protected]
1. INTRODUCCIÓN.
El desarrollo de componentes electrónicos y su
aplicación en forma masiva, ha impuesto para su
correcta operación, niveles más exigentes en el
diseño de redes eléctricas y de la protección de
las instalaciones. Antes de la presencia de
equipos electrónicos interconectados con medio
físico metálico, los objetivos de diseño se
centraban en la seguridad, es decir, se partía de
los niveles de soportabilidad de las personas e
instalaciones. Niveles que, para el ser humano
están en 20 Julios y para las instalaciones son
mucho mayor. Pero, cuando unas décimas de
Julio son capaces de ocasionar daños a
componentes electrónicos, los objetivos de diseño
deben ser revaluados a fin de no sólo mantener la
seguridad de las personas e instalaciones, sino,
permitir a los procesos productivos la continuidad
de funcionamiento aún bajo condiciones
adversas. Los sistemas de puesta a tierra son un
componente fundamental en la búsqueda de estos
objetivos.
Pretendemos establecer una serie de artículos que
se inician con el marco conceptual de sistema de
puesta a tierra hasta el tratamiento de temas
específicos que permitan crear un ambiente
académico adecuado sobre el tema.
ABREVIATURAS
PT Puesta a tierra
SPT Sistema de puesta a tierra.
EMC Compatibilidad electromagnética.
EMI Interferencia electromagnética.
GLOSARIO.
Ambiente electromagnético: Es la totalidad de
los fenómenos electromagnéticos existentes en un
sitio dado. Circuito en modo común: Es la
totalidad de las corrientes de un lazo (o el circuito
cerrado) por las corrientes de modo común.
Incluyen el cable, el aparato y las partes cercanas
del sistema de puesta a tierra.
SCIENTIA ET TECHNICA No.18 ABRIL2002/154
Circuito en modo diferencial: Es la totalidad de
las corrientes de un lazo (o el circuito cerrado)
definidas para señales o potencia. Incluyen el
cable y el aparato conectado en ambos extremos.
NOTA: Términos semejantes: modo normal,
modo en serie.
Compatibilidad electromagnética: Es la
capacidad de un dispositivo, equipo o sistema
para funcionar satisfactoriamente en su ambiente
electromagnético sin introducir perturbaciones
intolerables a alguna cosa en este ambiente.
Conductor de puesta a tierra: Es un conductor
usado para conectar equipos o circuitos puestos a
tierra de un sistema de cableado con la puesta a
tierra.
Conductor de puesta a tierra de equipos: Es el
conductor usado para conectar partes metálicas
que no transportan corriente, como ductos,
canalizaciones y gabinetes con la puesta a tierra o
un conductor puesto a tierra o ambos, en el punto
de la acometida o en la fuente de un sistema
derivado independiente.
Conversión de modo común: Es el proceso por
el cual una tensión de modo diferencial es
producida en respuesta a una tensión de modo
común.
Degradación: Es una desviación indeseable en
las características de operación de algún
dispositivo, equipo o sistema.
Equipotencializar: Es el acto de conectar las
partes conductivas expuestas de las instalaciones
con las partes conductivas de aparatos, sistemas o
instalaciones que deben estar al mismo potencial.
NOTA: Para propósitos de seguridad,
equipotencializar generalmente involucra (pero
no necesariamente) una conexión a la puesta a
tierra adyacente.
Interferencia electromagnética: Es la
degradación en las características de un
dispositivo, equipo o sistema, causadas por una
perturbación electromagnética.
Perturbación electromagnética: Es un
fenómeno electromagnético que puede degradar
las características de desempeño de un
dispositivo, equipo o sistema.
Puesta a Tierra: Grupo de elementos
conductores equipotenciales, en contacto eléctrico
con el suelo o una masa metálica de referencia
común, que distribuyen las corrientes eléctricas
de falla en el suelo o en la masa. Comprende
electrodos, conexiones y cables enterrados.
También se le conoce como toma de tierra o
conexión a tierra.
Red de tierras: Es el conjunto de conductores
del sistema de puestas a tierras que conectan los
aparatos, sistemas o instalaciones con el electrodo
de tierra o entre electrodos de tierra.
Sistema de puesta a tierra: Es el circuito
eléctrico tridimensional conformado por la por la
red de tierras.
Sistema derivado independiente: Es un sistema
de alambrado de una instalación, cuya energía
procede de una batería, sistema solar fotovoltaico
o del bobinado de un generador, transformador o
convertidor y que no tiene conexión directa, ni
siquiera mediante un conductor del circuito
sólidamente puesto a tierra (neutro), para
alimentar los conductores que proceden de la
instalación.
Susceptibilidad (electromagnética): Es la
incapacidad de un dispositivo, equipo o sistema
para funcionar sin degradación en presencia de
una perturbación electromagnética.
DESARROLLO.
Tradicionalmente las instalaciones y los sistemas
eléctricos fueron conectados a tierra por razones
de seguridad. Los primeros estándares que
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existieron al respecto, dictaminaron la manera
como se debían llevar a cabo dichas prácticas y
sus objetivos eran garantizar la integridad de las
personas y controlar el riesgo de explosiones. La
operación de los dispositivos, equipos o sistemas
se relegó a un segundo plano. Las conexiones a
tierra de los dispositivos tenían una gran
connotación sobre las personas que los usaran.
Un sistema electrónico usualmente está
compuesto por un conjunto de circuitos. Para
propósitos del presente documento, un circuito es
una combinación de elementos pasivos y activos
que cumplen una función específica, p.e.
atenuación, rectificación, detección, filtrado, etc.
Una trayectoria de tierra designa una parte de un
circuito.
V = F(d, f, I). Las diferencias de tensión son
función de la separación, frecuencia y de la
magnitud de la corriente.
Origen de las corrientes.
in = Acopladas con la atmósfera como: rayos,
radio, señales en el espacio.
In = Acopladas del sistema de potencia.
Is= Acopladas por el suelo.
Diferencias en la tensión
VEstructural = Desarrolladas por rayos,
corrientes en el espacio, radio frecuencia.
VCable = Desarrolladas por inducción de
líneas de potencia, efecto de antena, por su
ubicación entre edificios.
Independientemente de si la distancia entre cada
circuito es grande o pequeña, el sistema completo
debe funcionar como una unidad integral. Cada
circuito debe desempeñar la función diseñada y
alimentar la carga designada en forma adecuada,
d
Vi
Vi
in
Vn
Vx Vx
Vo
V=I (R+jwL)
n
s
Fuentes
atmosféricas
Ipotencia (falla)
Estaciones de
Radio / TV
E
H
ESCENARIO DE LOS SISTEMAS
DE PUESTA A TIERRA
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aún en presencia de señales extrañas. La
conexión a tierra de los circuitos es un
componente esencial para estos procesos.
Un sistema debe operar en un ambiente que
contiene muchas perturbaciones
electromagnéticas que pueden degradar las
características de desempeño de este (ver figura
No.1). La presencia de rayos, fallas de potencia,
electrostática, operación de otros equipos, etc.
son algunos ejemplos. Dichas perturbaciones
electromagnéticas se presentan con un amplio
rango de frecuencias y con una variedad de
amplitudes que pueden interferir a los
dispositivos, a menos que se minimice el acople
entre estas y los circuitos susceptibles. Las
conexiones a tierra de equipos, sistemas e
instalaciones son importantes para minimizar la
interferencia de fuentes internas o externas al
sistema.
Históricamente los requerimientos de puestas a
tierra fueron necesarios para proteger las
instalaciones de impactos de rayos y de la
electricidad estática generada en las industrias.
Fue necesario conectar eléctricamente las
estructuras y los equipos eléctricos con el suelo
(puesta a tierra), con el fin de proveer una
trayectoria de conducción para los rayos y la
electricidad estática. Conforme los sistemas de
transmisión fueron desarrollados, también fue
necesario conectarlos a una puesta a tierra por
razones de seguridad del personal y de los
equipos. Los componentes principales de un
sistema de transmisión tales como, centrales de
generación, líneas de transmisión, subestaciones y
sistemas de distribución, tenían que ser
conectados a tierra para proveer una trayectoria
de retorno de las corrientes de falla, en el caso de
un daño.
Con el desarrollo de los componentes
electrónicos, los gabinetes y carcasas se
construyeron con metal, porque proveía
protección contra fuego, daños mecánicos y
control de interferencias electromagnéticas; por
lo que muchos problemas de conexión a tierra se
relacionan posiblemente con la presencia de este
metal. La disponibilidad de diversos puntos que
podían ser usados como tierra, oscurecía la
verdadera razón de por qué una conexión a tierra
es necesaria. El metal asociado con el circuito
electrónico originaba un posible choque eléctrico
peligroso, el cual dio argumentos sobre su no-
utilización como conexión de tierra de los
aparatos electrónicos. Como consecuencia de
esto algunos aparatos se construyeron con doble
aislamiento, el cual eliminaba la exposición de
partes metálicas energizadas.
El incremento de circuitos electrónicos y equipos
con trayectorias metálicas comunes que pueden
servir como camino de potencia, de descargas de
rayos, como antena de campos electromagnéticos,
etc., hace que estas fuentes puedan manifestarse
en las impedancias comunes de las trayectorias
conductivas (ver figura No. 2). Esto ocasiona
frecuentemente un acople indeseado produciendo
interferencia electromagnética.
Una conexión de puesta a tierra efectiva, consiste
en la implementación de una red de referencia
apropiada cumpliendo muchas funciones sin
producir interferencia electromagnética entre los
circuitos y equipos. Los sistemas de puesta a
tierra deben cumplir las siguientes funciones:
1. Una conexión de baja resistencia con la
tierra (suelo) para crear una trayectoria de
retorno a la corriente de falla de una fuente, a la
vez que se controlan las tensiones peligrosas
mientras los fusibles o interruptores operan
despejando la falla.
2.Una conexión de baja resistencia entre los
objetos eléctricos y electrónicos con las partes
metálicas cercanas, con el fin de minimizar el
peligro al personal en el caso de una falla
3. Una trayectoria conductiva preferencial
entre el punto de impacto de un rayo en un
objeto expuesto y el suelo.
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4. Una trayectoria de flujo de la electricidad
estática antes de que se formen altos potenciales
que puedan producir una chispa o un arco.
5. Un plano de referencia común de una
impedancia relativamente baja entre los
dispositivos electrónicos, circuitos y sistemas.
6. Un plano de referencia para sistemas de
antena de onda larga.
Los SPT en algunos casos deben incorporar dos o
más de estas funciones. Por ejemplo, un sistema
interconectado metálicamente o una red, debe
cumplir a la vez la función de seguridad, la de
control de interferencias electromagnéticas y
funcionar como parte de un sistema de una antena
(ver figura No. 2).
Frecuentemente, el cumplimiento de tales
funciones genera un conflicto en términos de los
requerimientos de operación o en términos de las
técnicas de implementación. Un buen
entendimiento de las propiedades
electromagnéticas de los SPT, permite diseñar
apropiadamente las configuraciones de las redes
necesarias en sistemas, equipos o circuitos para
obtener una alta confiabilidad en las
características de desempeño.
Las funciones de los SPT citadas permiten
concluir que existen dos objetivos principales de
los sistemas de puesta a tierra:
1. LA SEGURIDAD.
2. LA COMPATIBILIDAD
ELECTROMAGNÉTICA.
La seguridad compromete directamente el
cuidado de las personas e instalaciones y la EMC
compromete la operación de los equipos
electrónicos. La diferencia o más bien la relación
estriba en el hecho de que la soportabilidad de
una persona es del orden de 20 J, mientras que la
de los componentes electrónicos es inferior,
llegando en algunos casos a valores de décimas
de Julios. Con el cumplimiento de los dos
objetivos se logran montajes seguros para las
personas y confiables para los equipos.
La EMC hace referencia a la capacidad de un
Señales por tierra,
retorno, DC.
Gabiente metálico, tierra de seguridad
Tierra de la instalación, de seguridad
Señal
de
entrada
Señal
de
salida
PT antena,
instalación o
pararrayos, etc.
MULTIPLES FUNCIONES DE LOS SISTEMAS DE
PUESTA A TIERRA
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dispositivo, equipo o sistema de operar
satisfactoriamente en su ambiente
electromagnético sin introducir perturbaciones
intolerables a lo que se encuentre en ese
ambiente. Por lo tanto, el segundo objetivo de
los SPT se relaciona con el control de
comportamientos erróneos de los circuitos
electrónicos causados por la influencia de
perturbaciones electromagnéticas. Contrario a las
“creencias“ de que los SPT siempre permiten
controlar las perturbaciones electromagnéticas, en
algunas situaciones, esto no resuelve el problema
sino que lo empeora. Hay diversos casos en
donde los SPT son necesarios para reducir la
interferencia electromagnética:
1. Las Pantallas de Faraday (cajas de Faraday,
transformadores apantallados, cables
apantallados, cajas de filtro) necesitan ser
conectadas a un conductor de retorno de la
interferencia electromagnética y este es
siempre una estructura metálica o una puesta
a tierra.
2. Si se desea reducir el acople por impedancia
en modo común entre equipos, la trayectoria
de retorno entre estos debe ser llevada a
bajos valores de impedancia.
3. Si la función No. 4 no se cumple, la
conformación de electricidad estática
produce una descarga abrupta. Esto puede
causar explosiones además de un transitorio
eléctrico, como ya se mencionó. Algunas
medidas consisten en la equipotencialización
y conexión a tierra de estructuras.
4. Ante pulsos electromagnéticos severos
(rayos) se requiere que se realicen
conexiones del sistema de puesta a tierra
(pararrayos, bajantes y puestas a tierra).
Un problema de interferencia electromagnética se
manifiesta desde la pérdida de información hasta
la destrucción de equipos. Una señal de
interferencia puede tener duraciones cortas o
largas, de acuerdo con la escala de tiempo de
interés y puede tener valores máximos o mínimos
de acuerdo con la susceptibilidad de los equipos.
La diversidad de interferencias es una función de
la amplitud y de la frecuencia de la señal
perturbadora, referida a la señal de operación en
el punto de manifestación. El acoplamiento entre
dos circuitos existe sólo si hay algún camino por
el que uno de ellos pueda transferir energía al
otro.
Los mecanismos generales mediante los cuales se
puede producir esta transferencia de energía se
deben a que los circuitos comparten alguna
impedancia, o que un circuito esté sometido a la
acción de algún campo eléctrico, magnético o
electromagnético creado por otro circuito.
Las trayectorias de acople por las cuales una
fuente crea EMI, son de cinco clases:
1. Acople de impedancia en modo común.
2. Acople en modo común por radiación o
inducción.
3. Acople en modo diferencial por radiación o
inducción.
4. Acople cable a cable.
5. Acople de la fuente de potencia.
Los acoples de interferencia relacionados con los
sistemas de puesta a tierra corresponden a la
primera y segunda clase.
Los requerimientos asociados con los objetivos
de un SPT, consistentes en desviar las corrientes
perturbadoras de baja y alta frecuencia y
disminuir las diferencias de tensión entre los
diferentes puntos de un sistema, son los mismos
para:
Los rayos
Seguridad del personal
Protección de la instalación
EMC
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Cada uno de estos se relaciona directamente con
los criterios de diseño de un SPT:
Los rayos y la seguridad del personal
determinan el diseño del electrodo de tierra.
La seguridad y la protección de la instalación
determinan el tamaño de los conductores de
tierra.
La EMC determina los requerimientos de la
distribución de la red de tierras.
Para contribuir a asegurar una óptima EMC, se
deben contemplar los siguientes aspectos:
Selección de cables (potencia,
comunicaciones, etc.).
Medio de conexión a los puertos de los
equipos.
Ruta y conducción de un equipo a otro.
Agrupamiento de los cables de diferentes
tipos existentes.
En general las características de la
instalación.
En un ambiente electromagnético hostil, se
pueden tomar dos alternativas para configurar los
cableados de la instalación:
1. Emplear grandes señales que puedan ser
transportadas por medio de cables
seleccionados arbitrariamente, distribuidos
sin cuidado alguno y conectados a los
equipos sin aplicar ninguna recomendación.
Por lo tanto, el puerto del equipo debe ser
capaz de recibir la señal grande y separar
de esta las perturbaciones inducidas en el
trayecto.
2. Emplear pequeñas señales que puedan ser
transportadas por el mismo ambiente
electromagnético hostil, por medio de
cables seleccionados apropiadamente, rutas
adecuadas y conectados con todas las
recomendaciones, a los puertos de los
equipos. Esta selección puede ser usada
para optimizar la búsqueda de EMC, pero
requiere la comprensión de sus principios.
Actualmente la EMC puede ser obtenida de
muchas maneras. No es posible presentar una
única solución para una instalación dada.
En la figura No. 3 se presenta el procedimiento
conceptual de diseño de un SPT.
Bibliografía:
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and lghtning protection, Don White
Consultants, Inc, Gainesville, Virgina 22065
U.S.A. 1983.
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design procedures for minimal interference in
associated electronic equipament. ASEA AB
(Industrial Electronics Division) information
7102 001E (2a Edición , 1984).
SCIENTIA ET TECHNICA No.18 ABRIL2002/154
Objetivos : 1° Seguridad de las personas. 2° Protección de la instalación. 3° CEM
RECEPTOR (ES) ENTORNO
NORMAS CANAL DE ACOPLE
DISEÑO DEL SPT. * Electrodo * Conductores * Conexiones * Equipotencialización * Mallas de alta frecuencia. * Topología * Lazos de tierra.
* Rayos (DDT, di/dt, I p ) * Fallas de potencia (I ft , I cc ) * Parámetros ( TA , pH) * ESD
* Características de la instalación. * Susceptibilidad de los dispositivos. * Rutas de cableado. * Interfases o puertos.
CONVENCIONES
CEM: Compatibilidad electromagnética. DDT:Densidad de desvargas a tierra. I f :Corriente de falla a tierra. I cc :Corriente de corto circuito. :Resistividad. :Humedad. :Permitividad. TA:Temperatura ambiente. A:Area. SPT: Sistema de Puesta a Tierra. Vp: Tensión de paso. Vc: Tensión de contacto. Vpp: Tensión de paso permitida. Vcp: Tensión de contacto permitida. Vmc: Tensión de modo común. Vse: Tensión soportable por equipos
FIN
Vp<Vpp Vc<Vcp
INSTALACION SEGURA
INSTALACION ELECTROMAGNETICAMENTE
COMPATIBLE
NO
CANTIDADES DE OBRA
* Listado de recursos, materiales, herrramientas y equipos. * Cronograma de obra
NO
SI
CRITERIOS
INICIO
1. NTC 2050 (Ley) 2. NTC 2206 (Ley) 3. IEEE 80 4. IEC 61000-5-2 5. IEEE 1100 6. BS 7430
SI
Vmc<Vse
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