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Libro de texto 4- Protección de personal y equipo Tierras eléctricas, Armando Llamas, Jorge de los Reyes, Jesús Baez, Innovación Editorial Lagares, Monterrey, 2005. Centro de Estudios de Energía -all Contenido Protección de personal y de equipos • ¿Dónde ocurren las electrocuciones? • Riesgos de la electricidad – ELECTROCUCIÓN – ARCO ELÉCTRICO – EXPLOSIÓN • La protección que ofrece la puesta a tierra de equipos • Interruptor con protección de falla a tierra – – – – PRINCIPIO DE OPERACIÓN RECEPTÁCULO GFCI PARA PROTEGER OTROS RECEPTÁCULOS UNIÓN ILEGAL NEUTRO - TIERRA EXTENSIONES CON PROTECCIÓN DE FALLA A TIERRA • Protección de falla a tierra de equipos • Dimensiones de los conductores Centro de Estudios de Energía -all Introducción •LA SOCIEDAD moderna ha sido beneficiada por la electricidad. Damos por hecho que contaremos con los servicios y el confort que proporcionan los equipos que utilizan energía eléctrica. Sin embargo, una instalación eléctrica sin los elementos necesarios de seguridad y protección nos puede ocasionar graves perjuicios y es así como la puesta a tierra de equipos y de sistemas eléctricos es importante. Un equipo sin puesta a tierra o un sistema no aterrizado también pueden proporcionar servicios y confort; pero con menor seguridad y confiabilidad, poniendo en riesgo a las personas y a sus propiedades Centro de Estudios de Energía -all ¿Dónde ocurren las electrocuciones? Muertes promedio anuales ocasionadas por electrocución en un período de 25 años (1960-1985) EEUU 474 Hogar 384 Empresas 120 Descargas atmosféricas Adaptado de Square D, Electrical Safety Seminar 120 Granjas 102 Carreteras Centro de Estudios de Energía -all Riesgos de la electricidad •Choque o toque eléctrico, electrocución •Arco eléctrico, quemaduras •Explosión, partes metálicas a alta velocidad y material fundido Centro de Estudios de Energía -all Excepciones 250-5 EXCEPCIÓN 1: Los sistemas eléctricos usados exclusivamente para suministrar energía a hornos eléctricos industriales para fundición, refinado, templado y usos similares. EXCEPCIÓN 2: Los sistemas derivados independientes utilizados únicamente para rectificadores que alimenten sólo a motores industriales de velocidad variable. EXCEPCIÓN 3: Eléctrica nominal del primario sea inferior a 1 000 V, siempre que se cumplan las condiciones siguientes: – Que el sistema se use exclusivamente para circuitos de control. – Que las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personas calificadas atienden la instalación. – Que haya continuidad de la energía en el control. – Se instalan detectores de falla a tierra en el sistema de control. EXCEPCIÓN 4: Los sistemas aislados, tal como lo permiten los artículos de la Norma Oficial Mexicana. NOTA: El uso de detectores adecuados de tierra en instalaciones sin aterrizar, puede ofrecer mayor protección. EXCEPCIÓN 5: Los sistemas con neutro a tierra a través de una alta impedancia en el que la impedancia a tierra, generalmente una resistencia, limite al mínimo el valor de la corriente eléctrica de falla a tierra. Se permiten sistemas con neutro a tierra a través de una alta impedancia en instalaciones trifásicas de c.a. de 480 a 1 000 V, siempre que se cumplan las condiciones siguientes: – Que las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personas calificadas atienden la instalación. – Que se requiera continuidad en la energía. – Que se instalen detectores de falla a tierra en el sistema. – Que el sistema no alimente cargas de línea a neutro. Centro de Estudios de Energía -all Toque o choque eléctrico Es la estimulación eléctrica que ocurre cuando pasa corriente eléctrica por el cuerpo. La cantidad de corriente que pase El efecto en el cuerpo depende de Por dónde pase la corriente La condición física de la persona Centro de Estudios de Energía -all Efecto de los choques eléctricos (cantidad de corriente) 20 15 10 4 .050 .030 4 A o más Parálisis del corazón, quemaduras graves en piel y órganos .050 A a 4 A .1 - .2 Fibrilación ventricular .05 - .1 Posible fibrilación ventricular 30 mA - Dificultad para respirar, asfixia, fibrilación en niños pequeños .015 15 mA - Los músculos del 50% de la población se paralizan .010 >10 mA - Umbral de parálisis en los brazos .005 .001 5 mA - GFCI Nivel de disparo 1 mA - Nivel de percepción Centro de Estudios de Energía -all Ejemplo 1 • Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 kW, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 W, y la de contacto con suela mojada de cuero es 12 kW. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá. • SOLUCIÓN: La resistencia total es 15 kW, la corriente es 8.0 mA. Le dolerá y podrá soltar. Centro de Estudios de Energía -all EJEMPLO 2 • Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 kW, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 W, y la de contacto con suela de cuero seca es 100 kW. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá. • SOLUCIÓN: • La resistencia total es 103 kW, la corriente es 1.2 mA. • Apenas sentirá un leve dolor. Centro de Estudios de Energía -all EJEMPLO 3 • Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 kW, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 W, y la de contacto con suela de hule es 20 MW. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá. • SOLUCIÓN: – La resistencia total es 20 MW – La corriente es 0.006 mA. – Muy por debajo del umbral de percepción. Centro de Estudios de Energía -all Arco Eléctrico Ocurre un arco eléctrico cuando fluye una cantidad importante de corriente eléctrica a través de lo que previamente era aire El aire no es conductor, el flujo de la corriente se lleva a cabo en el vapor del material de la terminal del arco y el aire ionizado. Esta mezcla de materiales, a través de las cuales fluye el arco, se conoce como plasma. Centro de Estudios de Energía -all Temperatura del arco eléctrico 50 000 °C 20 000 °C 50 000 °C Pueden causar quemaduras letales a distancias de hasta 2.5 m. La ropa al quemarse puede causar quemaduras secundarias letales. La potencia del arco puede llegar a ser la mitad de la potencia disponible de corto circuito. Centro de Estudios de Energía -all Explosión •Los arcos sobre calientan el aire instantáneamente. •Esto ocasiona una rápida expansión del aire, dando lugar a frentes de onda con presiones de 100 a 200 libras por pulgada cuadrada. •Tales presiones son suficientes para hacer explotar interruptores y transformadores, ocasionando que salga metal a altas velocidades . En muchas ocasiones el arco no va acompañado de una explosión; pero cuando la explosión ocurre puede ser fatal. Centro de Estudios de Energía -all Protección •Guantes •Un par de guantes clase 0 y •Un par de guantes del voltaje mayor en la planta • Mangas aislantes, consistentes con las clases de guantes •Tapetes aislantes, consistentes con los voltajes en los que trabajará •Probadores de voltaje •Uno de baja tensión •Uno de media tensión •Candados, dispositivos y etiquetas de bloqueo •Cascos, ANSI Z89.1 clase B •Gafas de seguridad ANSI Z87.1 •Señalamientos de PELIGRO - ALTO VOLTAJE y cinta de bloqueo •Equipo de puesta a tierra •Ropa Retardante Flama - mínimo de 6 oz / yd2 •Traje arco eléctrico •Diagrama unifilar Centro de Estudios de Energía -all La protección que ofrece la puesta a tierra de equipos Portalámparas metálico sin conductor de puesta a tierra. Portalámparas metálico bien alambrado Centro de Estudios de Energía -all NOM 210-7, 250-81 y 250-50 • La sección 210-7 de la NOM indica que los receptáculos de 15 y de 20 A deben ser con puesta a tierra de equipos. – En la mayoría de las instalaciones residenciales no se instala el conductor de puesta a tierra de equipos y, sólo se instalan tomacorrientes con dos terminales. – El conductor de puesta a tierra de equipos debe ir dentro de la misma canalización que el resto de los conductores del circuito para garantizar una baja impedancia, 250-81 de la NOM • Sin embargo, en instalaciones existentes puede ser complicado retirar el alambrado existente para incluir el conductor de puesta a tierra de equipos. – La sección 250-50 de la NOM señala que para reemplazar receptáculos sin puesta a tierra por receptáculos con puesta a tierra, se puede unir la caja del receptáculo con cualquier punto accesible del sistema de electrodos. Centro de Estudios de Energía -all Reemplazo de receptáculos sin puesta a tierra Circuito Tablero con dos unidades térmicas derivado para tomacorrientes Medidor kWh Caja cuchilla y fusible Circuito derivado para alumbrado Tubería metálica de agua al interior Varilla Centro de Estudios de Energía -all Contacto directo con el vivo de un tomacorrientes La puesta a tierra de equipos no evita riesgo de electrocución en caso de contacto directo Centro de Estudios de Energía -all Contacto directo en un tostador La falta de protección no se presenta sólo con el contacto directo y con la terminal no puesta a tierra del tomacorrientes, puede ocurrir de diversas maneras, e.g., al introducir un cubierto metálico en el tostador de pan. Centro de Estudios de Energía -all Interruptor con protección de falla a tierra Centro de Estudios de Energía -all Operación de un interruptor con protección de falla a tierra Centro de Estudios de Energía -all EJEMPLO 4 ¿Qué papel desempeña el conductor de puesta a tierra en la operación del interruptor de circuitos de falla a tierra? • SOLUCIÓN: Ninguno, el conductor de puesta a tierra de equipos no es indispensable para la operación del Ground Fault Circuit Interrupter, GFCI Centro de Estudios de Energía -all EJEMPLO 5 Debido a que el conductor de puesta a tierra de equipos no es necesario para la operación del GFCI, se puede eliminar el conductor de puesta a tierra de equipos. • SOLUCIÓN: No, el conductor de puesta a tierra de equipos no se debe eliminar, ya que la caja y la canalización metálicas podrían quedar energizadas, y el GFCI no protegería. Centro de Estudios de Energía -all Curvas de fibrilación ventricular y de apertura de GFCI Tiempo (ms) corriente (mA) 1000 10 100 1000 10000 Fibrilación ventricular 100 Tiempo máximo 10 Tiempo de disparo de de disparo de un un GFCI clase A típico GFCI clase A UL No hay reacción 1 Un GFCI clase A debe tener un tiempo de disparo máximo dado por: Centro de Estudios de Energía -all LA SECCIÓN 210-8 SITIOS EN LOS QUE ES OBLIGATORIO EMPLEAR UN GFCI • indica que en las instalaciones residenciales se deben instalar receptáculos con interruptor con protección de falla a tierra en los siguientes sitios: – – – – Los baños. Las cocheras. Exteriores. Los muebles de cocina y los que estén instalados para alimentar utensilios eléctricos en las barras de la cocina. – Cuando estén a 1.8 m o menos del borde del fregadero. • GFCI en receptáculos de 15 A y de 20 A en cuartos de baño y en azoteas – aunque no se trate de viviendas. Centro de Estudios de Energía -all GFCI en instalaciones temporales de sitios en construcción • La sección 305-6 indica que en las instalaciones temporales de sitios en construcción los receptáculos de 120 y 127 V deben contar con interruptores con protección de falla a tierra. A) Unidad térmica con GFCI • B) Tomacorrientes con GFCI La protección de falla a tierra para las personas en las residencias y en los sitios de construcción también se puede obtener en los interruptores termomagnéticos y en las unidades térmicas que protegen un alimentador o un circuito derivado como lo indica la sección 215-9. Centro de Estudios de Energía -all EJEMPLO 6 • El interruptor con protección de falla a tierra de un receptáculo sigue protegiendo aun si se abre el conductor puesto a tierra que lo alimenta. SOLUCIÓN: Falso. La electrónica requiere de los dos conductores (vivo y neutro) para alimentarse, si se abre el neutro la electrónica no tiene energía y se ve impedida para cumplir su función de protección, creando así un grave riesgo de electrocución, pues el vivo sigue estando conectado a la salida del receptáculo. Centro de Estudios de Energía -all RECEPTÁCULO GFCI PARA PROTEGER OTROS RECEPTÁCULOS LOS RECEPTÁCULOS con GFCI pueden alimentar otros receptáculos, mediante las terminales de carga. Es muy importante NO intercambiar las terminales. Centro de Estudios de Energía -all EJEMPLO 7 • Explique porqué un tomacorrientes con GFCI con la alimentación alambrada por las terminales de carga no ofrece protección de falla a tierra. SOLUCIÓN: La figura muestra un receptáculo con interruptor con protección de falla a tierra con la alimentación alambrada erróneamente. Si alguien tocara la terminal no puesta a tierra del receptáculo, la corriente pasaría por la protección de sobrecorriente y saldría por la terminal viva del receptáculo, pasaría por la persona y, a través del terreno y/o una estructura metálica puesta a tierra, llegaría a la unión neutro - tierra. Todo esto sin que la protección opere, ya que la corriente nunca pasa por el interruptor con protección de falla a tierra. Centro de Estudios de Energía -all UNIÓN ILEGAL NEUTRO - TIERRA UNA UNIÓN ilegal entre neutro y tierra de las terminales del receptáculo o en la carga disminuye la protección personal que ofrece normalmente un tomacorrientes con GFCI. Centro de Estudios de Energía -all EJEMPLO 8 • Consideremos que en la Figura, 16 mA pasan por la persona y que 13 mA retornan por el hilo neutro. ¿El GFCI protegería a la persona? SOLUCIÓN: No, los 3 mA restantes, los que retornan por la puesta a tierra de equipos y por el terreno serían insuficientes para ocasionar el disparo del GFCI. Centro de Estudios de Energía -all Bobina de inducción de voltaje Centro de Estudios de Energía -all 0.1 0.1 0.05 0.05 Vng, V Vng, V Voltaje neutro - tierra a la salida de un receptáculo con GFCI 0 0 -0.05 -0.05 -0.1 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 tiempo. s 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 tiempo, s Centro de Estudios de Energía -all EJEMPLO 9 • Agregue lo necesario al esquema del GFCI en filminas anteriores para ilustrar la manera en que el GFCI dispara con una unión NG en terminales del receptáculo. SOLUCIÓN: La Figura muestra el lazo de corriente, la unión N-G ocasiona que en lugar del voltaje inducido se presente una corriente. Circuito de disparo Sensor de corriente diferencial Bobina de inducción de voltaje h Circuito de inducción de voltaje Centro de Estudios de Energía -all EXTENSIONES CON PROTECCIÓN DE FALLA A TIERRA • EN LOS ESTADOS UNIDOS es obligatorio que en las construcciones se empleen extensiones que incorporan un interruptor con protección de falla a tierra como el mostrado en la Figura. • En las construcciones las extensiones se maltratan de manera considerable y la pérdida del conductor puesto a tierra dejaría al personal sin la protección, ver el EJEMPLO 6. Centro de Estudios de Energía -all Extensión con GFCI Centro de Estudios de Energía -all Protección de falla a tierra de equipos Desde 1971, el NEC obliga a que en equipos de desconexión principal en más de 150 V al neutro y menos de 600 V entre fases se instale protección de falla a tierra de equipos (Ground-Fault Protection of Equipment, GFPE), si la capacidad nominal del dispositivo de protección contra sobrecorriente es de 1 000 A o más, NOM 230-95. a) El transformador enlaza a todos los conductores Bobina de disparo Relé b) El transformad Bobina d Centro de Estudios de Energía -all GFPE – El transformador enlaza el PUP b) El transformador enlaza al puente de unión principal Bobina de disparo Relé Centro de Estudios de Energía -all Protección de equipo contra fallas a tierra con sensor en neutro Relé Centro de Estudios de Energía -all 250-94 Tabla 250-94 Conductor del electrodo de puesta a tierra Tamaño del conductor mayor de acometida o área equivalente de conductores en paralelo Cobre Aluminio o aluminio revestido de cobre 2 o menor 1 ó 1/0 2/0 ó 3/0 Más de 3/0 y hasta 350 kcmil Más de 350 kcmil y hasta 600 kcmil Más de 600 kcmil y hasta 1100 kcmil Más de 1100 kcmil 1/0 ó menor 2/0 ó 3/0 4/0 y hasta 250 kcmil Más de 250 kcmil y hasta 500 kcmil Más de 500 kcmil y hasta 900 kcmil Más de 900 kcmil y hasta 1750 kcmil Más de 1750 kcmil Tamaño del conductor del sistema de electrodos 8 6 4 Aluminio o aluminio revestido de cobre 6 4 2 2 1/0 1/0 3/0 2/0 4/0 3/0 250 kcmil Cobre Centro de Estudios de Energía -all Uso de la Tabla 250.94 • • • • • • • • • • • • • • Conductor del sistema de electrodos, 250-94 Tubería metálica de agua, 250-81 (a) Acero estructural, 250-81 (b) Ufer, 250-81 (c) Anillo de tierra, 250-81 (d) Tubería y varilla, 250-83 (c) Placa, 250-83 (d) Conductor puesto a tierra de generador de emergencia con transferencia de tres polos, 445-5, 250-23 (b) Conductor puesto a tierra de acometida, 250-23 (b) Conductor del sistema de electrodos de un sistema derivado separadamente, 250-26 (b) Puente de unión a equipos en el lado del suministro del equipo de desconexión principal, 250-79 (d) Puente de unión principal, 250-79 (d) Unión a tubería interior metálica de agua, 250-80 (a) Unión a acero estructural, 250-80 (c). Centro de Estudios de Energía -all 250-95 Tabla 250-95. Tamaño nominal mínimo de los conductores de tierra para canalizaciones y equipos Capacidad o ajuste máximo del dispositivo automático de protección contra sobrecorriente en el circuito antes de los equipos, canalizaciones, etc.(A) 15 20 30 40 60 100 200 300 400 500 600 800 1000 1200 1600 2000 2500 3000 4000 5000 6000 Cable Cable de de aluminio cobre 14 12 10 10 10 8 6 4 3 2 1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 kcmil 350 kcmil 400 kcmil 500 kcmil 700 kcmil 800 kcmil 12 10 8 8 8 6 4 2 1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 kcmil 350 kcmil 400 kcmil 600 kcmil 600 kcmil 800 kcmil 1200 kcmil 1200 kcmil Centro de Estudios de Energía -all Uso de tabla 250-95 – Conductores de puesta a tierra de canalizaciones y equipos, 250-95 – Unión a equipo en el lado de la carga del equipo de desconexión principal, 250-79 (e) – Unión a tubería metálica de agua interior en edificios de varios departamentos en los que el sistema interior de tubería metálica para agua de cada departamento esté aislado metálicamente de los demás por medio de tubería no-metálica, 250-80 (a) Excepción – Unión a tubería metálica interior distinta a la del agua, 250-80 (b). Centro de Estudios de Energía -all EJEMPLO 11 Una acometida monofásica de dos hilos calibre 8 llega a un medidor y de allí al equipo de desconexión principal como se muestra en la Figura. La protección contra sobrecorriente es de 40 A. Considere conductores de cobre. Suponga que la barra de tierras está aislada del gabinete del equipo de desconexión principal, y que se requiere un puente de unión de la barra al gabinete. Determine el calibre mínimo: a) del puente de unión principal, b) del conductor de puesta a tierra de equipos a la base metálica del medidor, c) del conductor del electrodo, d) puente de unión de barra de tierras al gabinete del equipo de desconexión principal, e) puente de unión a la tubería interior de agua, f) conductor de puesta a tierra de equipos a la carga. SOLUCIÓN: La tabla 250-94 indica que el calibre mínimo debe ser # 8 y la tabla 250-95 indica calibre # 10. a) # 8, b) # 8, c) # 8, d) # 8, e) # 8, f) #10 medidor CFE conductor puesto a tierra de acometida equipo de desconexión principal conductor vivo barra de neutros puente de unión principal barra de tierras conductor del electrodo de puesta a tierra conductor puesto a tierra conductor depuesta puestaa atierra tierra conductor de de equipos electrodo de puesta a tierra tubería metálica de agua en interior Centro de Estudios de Energía -all