2. Chapter 2: Materials and Methods
2.1. Qualitative Methodology
La conexión a tierra establece la tensión cero como referencia para un sistema de distribución eléctrico y provee protección para el sistema eléctrico y el equipo de tensiones superpuestos por descarga y contacto con sistemas de alto voltaje. La Conexión a tierra previene la aparición de tensiones estáticas y potencialmente peligrosas en un edificio.
El electrodo de tierra más común es una varilla de acero cubierta de cobre.
La resistencia a tierra debe ser tan baja como sea posible, lo que dará un buen funcionamiento al sistema de distribución y una buena protección al personal.
El neutro del sistema de distribución se conecta a tierra en la entrada del servicio.
El neutro y la tierra también se conectan juntos al secundario del transformador en el sistema de distribución, donde el secundario forma un sistema aterrizado.
El propósito de poner a tierra los equipos es triple:
a) Para minimizar tensiones en equipo eléctrico, protegiendo de esta manera al personal, ante una descarga atmosférica ò de una electrocución al contacto con el equipo.
b) Para proporcionar una trayectoria de baja impedancia de amplia capacidad de conducción de corriente, para garantizar la operación rápida de los dispositivos contra sobre corriente bajo condiciones de falla a tierra.
Página 22 Algunas de las normas de la NOM-001-sede-2005 relacionadas con instalaciones eléctricas (utilización), se presentan a continuación:
Del Artículo 250 puesta a tierra
Los sistemas y los conductores de circuito son puestos a tierra para delimitar las sobretensiones eléctricas debidas a descargas atmosféricas, transitorios en la red o contacto accidental con líneas de alta tensión, y para estabilizar la tensión eléctrica a tierra durante su funcionamiento normal. Los conductores de puesta a tierra del equipo se unen al conductor puesto a tierra del sistema para que ofrezcan un camino de baja impedancia para las corrientes eléctricas de falla, y que faciliten el funcionamiento de los dispositivos de protección contra sobrecorriente en caso de falla a tierra.
Del artículo250-3 sistemas de corriente eléctrica continua (c.c)
Los sistemas de c.c de dos conductores que suministren energía al sistema de alumbrado de usuarios, deben de estar puestos a tierra, a excepción de que 1) cuente con un detector de falla a tierra, 2) que el sistema funcione a menos de 50 V.
Del artículo 250-5 sistemas y circuitos de corriente alterna (c.a).
Los sistemas de circuitos de c.a deben de ser puestos a tierra, sobre todo si, 1) cuando el sistema se está alimentando con un transformador que no este puesto a tierra, 2) que el suministro del transformador exceda de 150 V a tierra, es necesario conectar a tierra el neutro del sistema.
Del artículo 250-24 Sistemas puestos a tierra.
Cuando se suministre energía desde la misma acometida de corriente alterna a dos o más edificios o estructuras, el sistema puesto a tierra en cada edificio o estructura debe tener un electrodo de puesta a tierra.
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Del artículo 250-84 Resistencia de electrodos de varillas, tuberías y placas.
Un electrodo que consista en una varilla, tubería ó placa, debe de tener una resistencia a tierra menor a 25 Ω o menor una vez enterrado, en caso que la resistencia a tierra sea mayor que 25 Ω debe de complementarse con uno o más electrodos adicionales para disminuirla.
Del Artículo 250-113 A los conductores y equipo.
Los conductores de puesta a tierra y los cables de puentes de unión se deben de conectar mediante soldadura exotérmica, conectores a presión aprobados, abrazaderas u otros medios también aprobados.
Del Artículo 200 Uso e identificación de conductor de puesta a tierra.
El conductor de puesta a tierra puede ser de color verde, una tubería de agua puede usarse como conductor de puesta a tierra, el conductor puesto a tierra o neutro debe ser de color gris, blanco o tener tres franjas anaranjadas, el neutro debe ser de igual o mayor diámetro que de las fases en el sistema.
Del Artículo 921 puesta a tierra.
El sistema de tierras debe de consistir de uno o más electrodos conectados entre sí, debe de tener una resistencia de tierra baja para minimizar los riesgos al personal en función a la tensión eléctrica de paso y de contacto se considera un valor aceptable de 10 Ω; en terrenos con alta resistividad este valor puede llegar hasta de 25 Ω.
Los sistemas con un solo electrodo deben de utilizarse cuando la resistencia a tierra no exceda los 25 Ω en las condiciones más crítica s, para instalaciones subterráneas el valor recomendado de la resistencia a tierra es de 5 Ω.[8]
Del Artículo 250-91 conductor del electrodo de puesta a tierra.
El conductor de puesta a tierra debe de ser de cobre o de otro material, el material elegido debe de ser resistente a la corrosión que pueda producirse en la instalación, el conductor debe ser alambre o cable, aislado, forrado o desnudo y
Página 24 debe de ser de un solo tramo continuo, sin empalmes o uniones, se permiten empalme en las barras conductoras.
El conductor del electrodo de puesta a tierra debe de estar sujeto sólidamente, el calibre de tal conductor debe ser mayor a 21,2 mm2 (4 AWG) en aluminio y en cobre de 2,08 mm2 Capacidad nominal o ajuste del dispositivo de protección contra sobrecorriente ubicada antes del equipo conductor.
(14 AWG) [8].
TABLA 2.1 Calibre de los conductores para puesta a tierra de equipos y canalizaciones. Calibre del conductor de puesta a
tierra (AWG o MCM) Cobre Aluminio 15 14 12 20 14 12 30 12 10 40 10 8 60 10 8 100 8 6 200 6 4 400 4 2 600 2 2/0 800 1/0 3/0 1000 2/0 4/0 1200 3/0 250 MCM 1600 4/0 350 ” “ 2000 250 MCM 400 ” “ 2500 350 ” “ 500 ” “ 3000 400 ” “ 600 ” “ 4000 500 ” “ 800 ” “ 5000 700 ” “ 1000 “
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2.5.1 La conexión a tierra en las instalaciones
Los efectos de la electricidad sobre el cuerpo humano, dependen esencialmente de los siguientes factores:
• La intensidad de corriente.
• El tipo de corriente (continua, a la frecuencia industrial o de 60 Hz, o bien corrientes de alta frecuencia).
• La trayectoria seguida por la corriente en el cuerpo.
• Las condiciones del individuo en el momento del contacto.
Como se puede observar, algunos de los factores mencionados no son de fácil valoración; por lo que no es posible establecer reglas rigurosas. Como medida orientativa, se pueden elaborar curvas de peligrosidad de la corriente, en donde se relaciona el tiempo de contacto tolerable, en función de la corriente.
En la curva de la figura 2.6 se observan las consecuencias de tener contacto con las partes metálicas con tensión; ya que por ejemplo, corrientes mayores de 50 mA, y tiempos correspondientes a la zona 2 de la gráfica, pueden tener consecuencias mortales para el hombre.
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2
1
TIEMPO (SEG) 1000 100 10 0.0 0.1 1 10 CORRIENTE (mA)FIGURA 2.6 Curva de efectos de la corriente eléctrica.
Es conveniente también, hacer notar que la resistencia eléctrica del cuerpo humano, es muy variable (de uno cientos hasta miles de ohms); por lo que los valores de tensión que aplicados al cuerpo humano se consideran peligrosos, se deben definir en forma conservadora. Las instalaciones de puesta a tierra, y el empleo de protecciones adecuadas y coordinadas, constituyen el medio principal para limitar dicha tensión [9].
2.5.2 El tamaño o extensión del sistema de tierras
Este es un factor importante, ya que si el sistema es muy pequeño para manejar grandes corrientes de falla, puede existir gradiantes de potencial sobre la superficie, haciendo riesgoso esto para el contacto. En forma ideal, la resistencia de un sistema de tierras debería ser cero ohms para reducir cualquier tensión o gradiente de potencial, debido a las corrientes de fuga esto es prácticamente imposible [9].
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2.5.3 Control del ruido
El control de ruido incluye a los transitorios de todas las fuentes, esto es donde la conexión a tierra es relacionada con la calidad del servicio eléctrico.
El objetivo primario de la conexión a tierra para el control de ruido es crear un sistema de tierra equipotencial, las diferencias de potencial entre diferentes puntos de tierra pueden producir esfuerzos dieléctricos en los aislamientos, creando corrientes de tierra circulantes en los cables de baja tensión e interferencia con el equipo sensible, que puede ser aterrizado en puntos múltiples. La igualación de las diferencias de tensiones a tierra entre a las partes de un procesador de datos automáticos se hace cuando los equipos conectados a tierra están conectados al punto de tierra de una fuente de alimentación única. Sin embargo, si la longitud de los conductores de tierra es grande, es difícil lograr un potencial constante, particularmente para el ruido de alta frecuencia.
Los equipos de procesadores de datos automáticos y microprocesadores controlados, operan a altas frecuencias (a menudo arriba de los 10 MHz) transfieren datos entre varias partes del equipo a altas frecuencias y bajos niveles de señal. A causa de esto, ellos son muy sensibles al ruido e interferencia.
El ruido puede afectar la operación del quipo sensible, puede alcanzar frecuencias de corriente directa al hasta valores de GHz. Para la operación correcta, esos tipos de equipos necesitan una manera efectiva de conexión a tierra para las dos frecuencias (alta y baja).
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2.5.4 Conexión a tierra del equipo
Los usuarios de las instalaciones eléctricas, ya sean residenciales, industriales o comerciales, así como para otras instalaciones, como es el caso de hospitales, centros de cómputo, etc., están tocando constantemente el equipo eléctrico, o los equipos que hacen uso de dispositivos eléctricos; como es el caso de herramientas como taladros, soldadoras eléctricas, etc., debido a que los voltajes y corrientes asociados con estos equipos, pueden exceder los valores que el cuerpo humano es capaz de soportar en caso de presentarse alguna falla en los equipos mencionados anteriormente; por lo que es necesario adoptar precauciones especiales para garantizar que el equipo, tenga las condiciones de seguridad requeridas. Y una de ellas es conectando los equipos eléctricos a tierra. Interruptor de circuito por falla a tierra; dispositivo diseñado para la protección de personas, que funcionan para desenergizar un circuito o parte del mismo, dentro de un periodo determinado, cuando una corriente eléctrica a tierra excede un valor predeterminado, menor que al necesario para accionar el dispositivo de protección contra sobrecorriente del circuito de alimentación [8].
Para comprender los aspectos de la seguridad en las instalaciones eléctricas, se puede comenzar con un sistema básico en baja tensión, monofásico a 127 volts. Consideremos un motor eléctrico que forma parte de un equipo, que está dentro de una cubierta metálica no conectada a tierra. El neutro se encuentra sólidamente conectado a tierra, en el punto de alimentación de la compañía suministradora.
Si una persona toca la cubierta metálica nada sucederá, si la instalación está operando correctamente; pero si por ejemplo, el asilamiento de los devanados falla, la resistencia Re entre el motor y la cubierta metálica, puede reducir su valor
de varios megohms a solo algunos cientos de ohms o menos; de manera que una persona con una resistencia RK, puede a completar el circuito cerrando la
Página 29 Si el valor Re es pequeño (lo cual puede suceder), la corriente IK
M CA Re Rk LINEA NEUTRO S ALIMENTACION 127 V Ik CUBIERTA METALICA Ik Ik Ik puede ser grande y resultar peligrosa, como se muestra en la figura 2.7.
FIGURA 2.7 Sistema no conectado a tierra (peligroso).
La situación potencialmente peligrosa, se puede remediar si se conecta a tierra la cubierta metálica; es decir, en este caso al neutro que se encuentra aterrizado; ahora la corriente IK M CA Re Rk LINEA NEUTRO S ALIMENTACION 127 V Ik CUBIERTA METALICA CONEXIÓN A TIERRA Ik
circulará del motor a través de la cubierta, y regresara por el neutro; pero la cubierta permanece al potencial de la tierra, y en consecuencia la persona no sufre ningún efecto, como se muestra en la figura 2.8.
FIGURA 2.8. Conexión a tierra a través del neutro.
La solución anterior de conectar a tierra la cubierta, a través del neutro; puede parecer segura, pero el problema es que el neutro puede quedar abierto, ya sea en forma accidental o debido a una falla en la instalación; para evitar este
Página 30 M CA Re Rk LINEA NEUTRO S ALIMENTACION 127 V Ik CUBIERTA METALICA CONEXIÓN A TIERRA Ik
problema, se acostumbra en algunas instalaciones eléctricas, instalar un tercer conductor llamado “conductor de tierra”, localizado entre la cubierta y la tierra del sistema como se muestra en la figura 2.9 [9].
FIGURA 2.9 Uso del cable de tierra.
Después de analizar los conceptos básico de puesta a tierra se puede concluir que:
Un transformador debe ser puesto a tierra para:
• Estabilizar el nivel de tensión.
• Protección contra descargas atmosféricas.
• Protección de falla a tierra, en el lado de alta tensión. La instalación eléctrica debe ser puesta a tierra para:
• Protección contra descargas atmosféricas.
• Protección contra falla a tierra a través del puente de unión principal de los conductores de puesta a tierra y de la continuidad eléctrica de las
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