SISTEMAS DE PUESTA A TIERRAMarco 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 DuqueGerente Demo Ingeniería Ltda.Ingeniero Electricista UTP.e-mail: demoing@col1.telecom.com.co.

Jorge Humberto Sanz AlzateProfesor Asistente Universidad Tecnologica de Pereira.e-mail: jsanz@utp.edu.co

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 tierraSPT 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.

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 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, 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

d

V i

V i

in

Vn

Vx Vx

Vo

V =I (R +jwL )

n

s

Fuente s atm o sfé ric as

Ip otencia (falla)

Estac io ne s deRadio / TV

EH

E SCE NARIO DE LOS SISTE M AS DE PUE STA A T IE RRA

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.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 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

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

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

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:

Willian C. Hart, Edgar W.Malone, Lightning and lghtning protection, Don White

Consultants, Inc, Gainesville, Virgina 22065 U.S.A. 1983.

Burgett R.R., Massoll R.E., Van Unm D.R. Relationship Between Spark Plugs and Engine Raiated Electromagnetic interference IEEE Transact. On Electrtomangnetic Compatiblity. Vol EMC-16 (Agosto 1974).

Anders R., Trulsson I. Electrical installation design procedures for minimal interference in associated electronic equipament. ASEA AB (Industrial Electronics Division) information 7102 001E (2a Edición , 1984).

Objetivos:

1° Seguridad de las personas.

2° Protección de la instalación.

3° CEM

RECEPTOR (ES)ENTORNO

NORMASCANAL 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 , Icc)

* 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.

If :Corriente de falla a tierra.

Icc: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<VppVc<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 804. IEC 61000-5-25. IEEE 11006. BS 7430

SI

Vmc<Vse

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