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CURSO SPT CIMEMOR – BAJA TENSIÓN
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.
Dr. Arturo Galván Diego.
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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
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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)
Hasta 1
2a3
3 a 10
10 a 50
50 a 500
Más de 500
Efectos
Imperceptible para el hombre
Sensación de hormigueo
La persona consigue generalmente desprenderse del
contacto, de manera que la corriente no es mortal
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
Corriente peligrosa en función creciente con la
duración del contacto que da lugar a la fibrilación
ventricular.
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
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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
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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.
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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
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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 enc uentra 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 trans versal 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
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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)
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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.
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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.
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ESQUEMÁTICO DE LA ACOMETIDA, DE ACUERDO A MORRIS/LEWIS
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ALAMBRADO EN LA ACOMETIDA, DE ACUERDO A MORRIS/LEWIS
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ALAMBRADO TÍPICO SOLIDAMENTE PUESTO A TIERRA, DE ACUERDO A MORRIS/LEWIS
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ALAMBRADO TÍPICO DEL CONDUCTOR DE TIERRA AISLADO, DE ACUERDO A MORRIS/LEWIS
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