Guia Calidad 6 1 Puesta a Tierra

Puesta a tierra y EMCAproximacin a un Sistema

de Puesta a Tierra

Pu

esta a tierra y EM

C

6.1

Gua de Calidadde la Energa Elctrica

Puesta a tierra y EMCAproximacin a un Sistema de Puesta a Tierra

Reyer VenhuizenKEMA T&D Power

Mayo 2002

Esta Gua ha sido publicada como parte de la Iniciativa Leonardo para la Calidad de la EnergaElctrica (LPQI), un programa europeo de formacin y educacin respaldado por la Comisin Eu-

ropea (dentro del Programa Leonardo da Vinci) y la International Copper Association. Para ms informacin so-bre LPQI visite www.lpqi.org.

European Copper Institute (ECI)El European Copper Institute (ECI) es una joint venture formada por ICA (International Copper Association) y losmiembros del IWCC (International Wrought Copper Council). Por medio de sus socios, ECI acta en nombre delos principales productores mundiales de cobre y fabricantes europeos promoviendo la utilizacin del cobre enEuropa. Fundado en Enero de 1996, ECI est respaldado por una red de diez Centros de Promocin del Cobreen Alemania, Benelux, Escandinavia, Espaa, Francia, Grecia, Hungra, Italia, Polonia y Reino Unido. ECI conti-na los esfuerzos inicialmente emprendidos por la Copper Products Development Association, fundada en 1959,e INCRA (International Copper Research Association) fundada en 1961.

Centro Espaol de Informacin del Cobre (CEDIC)CEDIC es una asociacin privada sin fines de lucro que integra la prctica totalidad de las empresas fundidoras-refinadoras y semitransformadoras de cobre y de sus aleaciones en Espaa. Su objetivo es promover el uso co-rrecto y eficaz del cobre y sus aleaciones en los distintos subsectores de aplicacin, mediante la compilacin, pro-duccin y difusin de informacin.

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Aproximacin a un Sistema de Puesta a Tierra

Introduccin

La puesta a tierra de las instalaciones y equipos es un tema que afecta a varias de las diferentes disciplinasimplicadas en la construccin y en el equipamiento elctrico de un moderno edificio comercial o indus-trial. Los arquitectos tienen que hablar con los ingenieros de instrumentacin, los profesionales de la in-formtica tienen que debatir estos asuntos con los ingenieros elctricos, etc. Sin embargo, a veces estosingenieros especialistas no hablan el mismo lenguaje tcnico o ni siquiera son conscientes de las necesi-dades de las instalaciones de los otros. En este documento se presenta una aproximacin global al tema delas puestas a tierra, que podra servir de gua bsica para la realizacin de las puestas a tierra y la supresinde interferencias y que sea utilizable por los equipos multi-disciplinares.

En general cualquier sistema de puesta a tierra debe cumplir tres requisitos:

Rayos y cortocircuitos: el sistema de puesta a tierra debe proteger a los ocupantes evitando da-os directos tales como fuego, descargas elctricas o explosiones a causa del impacto directode un rayo o a un sobrecalentamiento provocado por una corriente de cortocircuito.

Seguridad: el sistema de puesta a tierra debe conducir las corrientes de rayo y cortocircuito atierra sin que se produzca una subida de tensin intolerable o tensiones de contacto.

Proteccin de los equipos y funcionalidad: el sistema de puesta a tierra debe proteger los sis-temas electrnicos, facilitando una ruta de evacuacin de baja impedancia a los equipos inter-conectados. La canalizacin, ordenacin y el apantallamiento adecuados de los cables consti-tuyen aspectos muy importantes y sirven para evitar la produccin de averas que podranafectar al normal funcionamiento de los equipos elctricos.

Aunque los requisitos exigibles para estos tres aspectos a menudo se especifican por separado, su apli-cacin exige una solucin integrada para todo el sistema.

Una solucin global para todo el sistema

El objetivo fundamental de una proteccin mediante la conexin a tierra es garantizar la seguridad delas personas y propiedades dentro de la zona atendida por el sistema de puesta a tierra. Esto requierela presencia de una va con una elevada capacidad de transporte de corriente con una relativamentebaja impedancia a la frecuencia fundamental, de tal forma que las tensiones que se produzcan en elmomento de disipar corrientes de defecto elevadas no sean peligrosas.

Es muy sencillo realizar una buena conexin a tierra de baja impedancia. Todo lo que se necesita es unconductor de alta conductividad, resistente a la corrosin (el cobre es una buena opcin), enterradoen la tierra a tal profundidad que no sufra congelacin ni sequedad, con una longitud suficiente paraque haga contacto con un volumen de tierra de entidad apropiada, cubriendo un rea suficientemen-te grande y en una posicin tal que no sufra la influencia de otros sistemas de puesta a tierra. Un vo-lumen grande de tierra reduce la densidad de corriente en el suelo y con ello la resistencia de la tierra.Una conexin de gran superficie hace posible una configuracin del campo elctrico, que reduzca lastensiones de contacto y las subidas bruscas de tensin (segn se ver ms adelante). As se consigueuna tierra limpia al menos todo lo limpia posible.

Los problemas surgen cuando se conectan los equipos a esta red de tierras. En la prctica la eficacia dela red de tierras se ve afectada por otros sistemas contiguos y, lo que normalmente es ms grave, porlos equipos de la propia instalacin.

El empleo de un conductor mixto neutro y de proteccin (PEN), como el que se usa en un sistema TN-C, nocuadra con los principios de un buen diseo que se desarrollan en esta nota explicativa. En un sistema TN-C

Puesta a tierra y EMC

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las corrientes del neutro, incluyendo el tercer armnico, y las corrientes de tierra se juntan en los conductoresneutros, conductores de proteccin y elementos metlicos conectados. Las instalaciones deberan ser siempreTN-S, incluso si se derivan de sistemas TN-C por el lado de la alimentacin del punto de acoplamiento comn(PCC). La presencia de una nica conexin neutro-tierra es muy importante.

La prctica tradicional de las instalaciones se propone, como debe ser, garantizar la seguridad. Origi-nalmente se pensaba que, sencillamente, era suficiente proporcionar una va de baja impedancia hasta la tie-rra. Hoy se requiere adecuar la configuracin del campo elctrico en el terreno para controlar losgradientes de tensin alrededor del electrodo de tierra.

El conductor de proteccin tambin debe proporcionar una tierra funcional a los equipos que trabajan enel sistema; es decir, debe proporcionar una ruta para las corrientes de fuga (a la frecuencia fundamental) y lascorrientes parsitas de alta frecuencia (ruido) que se generan, por ejemplo, en las fuentes de alimentacin co-nectadas, a travs de los filtros de interferencias de radio-frecuencia (RFI), adems de ser una referencia detensin para interfaces de seal.

La magnitud de las corrientes de fuga es distinta en cada parte de la instalacin. Como las corrientes de fu-ga de tierra tienen su origen fundamentalmente en los equipos monofsicos conectados a cada una de lastres fases, las componentes fundamentales equilibradas de cada fase tienden a cancelarse, mientras quelas corrientes de fuga en el conductor de proteccin pueden aumentar o disminuir debido a las variacionesde las combinaciones de los circuitos en el tiempo a lo largo de un sistema de distribucin. A menudo estoes peor en un circuito final (monofsico) que alimenta a un equipo informtico. Las corrientes de fuga soninofensivas mientras circulan hacia tierra, pero pueden alcanzar fcilmente niveles letales si falla la cone-xin, por lo que se requiere un diseo de elevada fiabilidad. En esencia esto requiere rutas redundantes (ca-da una capaz de soportar toda la corriente de defecto) y una conexiones robustas y fiables, como por ejem-plo conductores de larga vida til, resistentes a la corrosin (de cobre), instalados por electricistas en lugarde haces de cables de acero instalados por trabajadores de la construccin. Cuando la armadura de los ca-bles se utiliza como una de las vas, es necesario prestar una atencin especial con el fin de garantizar queen los casquillos de conexin se consiguen y mantienen unos contactos fiables. En todo el sistema debenaplicarse criterios de diseo con gran fiabilidad, incluso encima de los tableros de trabajo, por ejemplo,equipndolos con suficientes tomas de corriente, de forma que no sean necesarias regletas de extensincon un nico conductor de proteccin de poca seccin.

Las corrientes de alta frecuencia pueden ser un problema ms grave en lo que se refiere a la funcio-nalidad. Gran parte de los equipos que generan corrientes parsitas en las tierras tambin son sensi-bles a las mismas pero con una diferencia; los equipos producen corrientes parsitas y son sensiblesa las tensiones perturbadoras. Si es posible transportar las corrientes parsitas hasta tierra sin produ-cir una cada de tensin perturbadora, todo ir bien. Esto requiere una conexin a tierra que tengabaja impedancia a todas las frecuencias presentes. Para reducir las interferencias radiadas, el con-ductor de tierra previsto para las corrientes parsitas debera ir muy cerca de los conductores de ali-mentacin. En este contexto debe tenerse en cuenta que estamos ms preocupados por la impedan-cia de la conexin al sistema de puesta a tierra, que representa la superficie equipotencial quellamamos coloquialmente tierra, que por la propia tierra en s. Esto es diferente de los contextos deseguridad y proteccin contra rayos, donde la impedancia respecto a la propia tierra es de una im-portancia vital.

Cuando la cantidad de equipos instalados era pequea era normal tender un cable de tierra aparte y de gran sec-cin directamente hasta el terminal principal de tierra, o incluso hasta una barra de tierra separado (conectadotambin al terminal principal de tierra para cumplir las normas locales). Esto, normalmente era suficiente, enparte porque estos sistemas y sus perifricos estaban situados en una zona geogrficamente pequea y, de estamanera, poda mantenerse un nivel equipotencial (si existe algo as) del lugar a potencial cero. Sin embargo, lasconexiones radiales a tierra de gran longitud pueden sufrir unos efectos de resonancia de cuarto de onda1,

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1 El diseo del sistema de puesta a tierra de un edificio, incluyendo el sistema de proteccin contra rayos exige gran

atencin si se deben cumplir todos los objetivos. Como es natural, lo mejor y ms barato es disear la instalacin

correctamente desde un principio, en lugar de tener que redisearla una vez ocupado el edificio.

que aumentan la impedancia de la lnea a ciertas frecuencias, haciendo que sta sea una tcnicainadecuada para las instalaciones actuales extendidas en amplios entornos. Los actuales sistemasinformticos normalmente se extienden por varios pisos de un edificio. Para mantener la equi-potencialidad (a alta frecuencia) entre estos dispositivos muy dispersos se necesita una solucinmejor.

Es un hecho que la mayora de los sistemas informticos distribuidos funcionan bien. Conforme sehan ido desarrollando los dispositivos microelctronicos y se han reducido las tensiones de funcio-namiento, la energa necesaria para conmutar estados lgicos y la inmunidad a los ruidos de tensinhan disminuido, hacindolos generalmente ms sensibles al ruido. El efecto de esta tendencia se hacompensado por medio de mejoras en el diseo de los sistemas, para mejorar la inmunidad al ruido.Estas medidas comprenden el uso de interfaces diferenciales y un mejor diseo del software, as co-mo el empleo de protocolos de deteccin y correccin de errores en las redes. Estas tcnicas son muyefectivas, pero reducen el rendimiento de las redes al precisar el envo de datos redundantes (controlde errores) y exigir la retransmisin de paquetes de datos con errores. Conforme aumenta el ruidoelctrico, la tasa de fallos aumenta y disminuye el rendimiento hasta que se pierde por completo laposibilidad de una comunicacin til. Para el usuario parece como si el sistema hubiese fallado re-pentinamente, mientras que en realidad solamente se ha degradado hasta un punto tal que los me-canismos disponibles de recuperacin ya no son suficientes. Si el ruido elctrico puede reducirse has-ta un nivel suficientemente bajo, la tasa de errores tambin se reducir y la transmisin de datos serposible de nuevo. Los niveles de ruido elevados reducen el rendimiento al exigir una transmisin re-petitiva por lo que reducen la eficiencia. Como es natural, la eficiencia de la red est relacionada conla eficiencia del procesamiento de los datos, que est relacionada a su vez con la eficiencia de la em-presa. Como en muchas otras situaciones, la eficiencia es peor cuando la necesidad es mayor cuan-do la red est sobrecargada. La reduccin del nivel de ruido elctrico en el entorno de los sistemas deproceso de datos es fundamental para aumentar la eficiencia. Por desgracia, por razones puramenteeconmicas, el cable de datos ms utilizado para redes es el par trenzado no apantallado (UTP). Paraedificios con un nivel informtico elevado y para velocidades de transmisin de datos de 100 Mb/sdebera utilizarse un cable de par trenzado apantallado (STP).

La mejor manera de reducir el ruido a un mnimo es el empleo de un plano de referencia de tierraconstituida por una malla de cobre. Esta tcnica se viene utilizando frecuentemente en las salas de or-denadores, cuando el procesado de datos est centralizado y, a menudo, sigue siendo la nica solu-cin viable. Funciona bien porque la malla facilita un nmero infinito de vas de evacuacin de las co-rrientes parsitas por todo el entramado con diferentes longitudes elctricas aparentes. Mientras quealgunas de estas rutas pueden ser mltiplo de un cuarto de longitud de onda, no hay duda de que exis-tirn muchas otras rutas paralelas que no lo son. El resultado es una conexin de baja impedancia enun amplio margen de frecuencias. Una red de energa elctrica de este tipo debera cubrir todo el readonde se puedan encontrar instalados equipos informticos hoy en da, por lo general, en la totali-dad del edificio y no debe olvidarse que esto se aplica tanto en sentido vertical como horizontal. Noes muy inteligente tener mallas horizontales en cada planta de un edificio conectadas a un nico ca-ble descendente vertical. Las mallas se construyen normalmente utilizando una cinta plana de cobrepara que sea mnimo el efecto piel. Cuando se utilizan elementos estructurales del edificio como en-tramado, como quiera que los soportes metlicos para un suelo flotante han sido elegidos por sus pro-piedades mecnicas y no elctricas, es importante garantizar que dichos elementos estn conectadoselctricamente entre s utilizando tramos de cables flexibles de cobre cortos en cada punto deunin de los soportes.

Podra pensarse que una instalacin completa de mallado de cobre es excesivamente cara para edifi-cios comerciales normales en especial en el caso de edificios construidos para su venta o alquiler aterceros. Sin embargo, el coste global no es mayor si se incorpora el entramado elctrico en la fase dediseo, mientras que sera mucho ms oneroso aadir el mallado despus de ocupado el edificio. Unsistema efectivo de puesta a tierra garantiza que el edificio ser adecuado para una gama ms ampliade usos, por lo que podr venderse o alquilarse a mejor precio. Este mayor precio, se justifica por lareduccin en la frecuencia (y coste) de problemas para los ocupantes y los consiguientes costes ope-rativos.


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Puesta en prctica del concepto

El electrodo de tierra

El diseo de un electrodo de tierra: su tamao, forma y disposicin, es muy importante, no solo para pro-porcionar una impedancia suficientemente baja sino tambin para controlar la forma del campo elctricosobre la superficie del terreno.

La resistencia del sistema de electrodos de puesta a tierra y la corriente evacuada en el terreno determinanla diferencia de tensin entre el sistema y tierra. Para grandes corrientes de defecto esta tensin ser muyelevada en el electrodo e ir disminuyendo conforme aumenta la distancia hasta el conductor de tierra, alaumentar el volumen de terreno a travs del cual circula la corriente. Este aumento de potencial de tierra(GPR) puede provocar situaciones peligrosas.

Antes de seguir estudiando este asunto ser conveniente definir algunos trminos (vase la Figura 1). El po-tencial de contacto es la diferencia de tensin entre una estructura conductora accesible y una persona situa-da sobre el terreno a una distancia tal que pudiera establecer contacto con la misma. Por otro lado, el poten-cial de paso es la tensin entre los pies de una persona (que se supone que estn separados 1 metro) que estde pie sobre la tierra. Los potenciales mximos de contacto y de paso est limitados por diferentes Normas.

Es posible que se pueda conseguir una baja impedancia, en unas condiciones adecuadas del terreno, conuna nica pica de tierra. En el lado izquierdo de la Figura 1 se muestra un esquema tpico del campo elc-trico. Obsrvese que la pendiente del potencial de tierra es muy fuerte es decir, las tensiones de paso y decontacto son muy elevadas por lo que no sera adecuada la eleccin de este electrodo. Por otro lado, lamisma figura 1 muestra, en el lado derecho, el efecto de aadir al sistema un anillo de proteccin a un me-tro de distancia del exterior del permetro, enterrado a 0,5 metros de profundidad. Esta solucin, debido almayor volumen de tierra que participa en el transporte de corriente, no solo reduce la impedancia de la vade evacuacin y con ello la pendiente del potencial de tierra en el terreno, sino que tambin aplana la par-te ms elevada de la forma del campo debajo del anillo de proteccin, reduciendo as las tensiones de pa-so y de contacto.

Como se ha visto, las tensiones de paso y contacto alrededor del edificio son mucho menores cuando se uti-liza un anillo de puesta a tierra. La parte superior de la montaa de potencial se convierte en una meseta

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Figura 1 Tensiones de paso y contacto

Tensinde

contacto

Tensinde paso

Tensinde

contacto

Tensinde paso

hacindose ms ancha y plana, dependiendo de las caractersticas del anillo que est enterrado en el sue-lo. Cuando no se utiliza el anillo la montaa es ms alta y escarpada, especialmente cerca de la pica depuesta a tierra o de un pilar de cemento armado, lo que puede ocasionar situaciones peligrosas.

El electrodo de tierra formado por un anillo enterrado alrededor del edificio, debe colocarse a una distan-cia no inferior a un metro de la pared exterior del mismo. Deber estar enterrado lo suficientemente pro-fundo para garantizar que no se ver afectado por las heladas en invierno y que no se secar en verano. Endonde no exista una directiva local aplicable, la profundidad ser, como mnimo, de 0,5 metros. El anillo detierra deber estar constituido por un cable de cobre desnudo de una seccin no inferior a 50 mm2 .

El anillo del electrodo de tierra deber estar conectado a una malla situada debajo de la estructura y, si esposible, a una malla que rodee la estructura. Las conexiones entre el anillo y el resto del sistema de puestaa tierra del edificio deben estar ubicadas en varios puntos de la instalacin.

Sistema de puesta a tierra de una instalacinSe necesita una canalizacin de baja impedancia hasta el terreno para conducir las corrientes de losrayos y de los cortocircuitos a tierra. El sistema principal de puesta a tierra de una instalacin, deberser una va que proporcione una conexin de baja impedancia entre todos los objetos conductoressusceptibles de ponerse en tensin en caso de accidente y un contacto bien distribuido en el terreno.Debe ser capaz de conducir todas las corrientes de defecto que se puedan presentar, evitando al mis-mo tiempo tensiones de contacto indirecto peligrosas y corrientes elevadas en los cables que enlazanobjetos distantes.

La Figura 2 muestra una vista de la planta de un sistema mallado de puesta a tierra. En los edificios (1), elrefuerzo de acero de los pilares de cemento constituye una fina red mallada que se conecta a un anillo decobre enterrado alrededor del edificio para evitar las tensiones de paso y de contacto. En cualquier otro lu-gar ser necesario instalar un sistema de puesta a tierra mallado. La longitud del lado de la retcula situadaalrededor del edificio deber ser no superior a 5 metros. A esta red mallada tambin se han conectado unatorre (2) y un equipo autnomo (3). Todos los objetos se conectan al sistema de puesta a tierra por medio


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Figura 2 Mallado de tierra (segn la Figura 8 de la IEC 61312-2)

de mltiples conexiones. Entre los edificios se encuentra una bandeja de cables (4) como proteccin paralos cables tendidos entre los edificios.

Sistema de captura de rayos

Para limitar los daos causados por la cada directa de un rayo en la estructura de una construccin, es ne-cesario disponer una ruta de baja impedancia desde la parte superior de la estructura hasta el terreno. A ni-vel del suelo, el sistema de proteccin contra rayos se conecta directamente al electrodo de tierra y al restodel sistema de puesta a tierra. La Figura 3 muestra la estructura tpica de un edificio.

El espaciado mximo entre los conductores verticales, d, deber ser de 10 metros para una proteccin nor-mal y de 5 metros para una proteccin de alto nivel. Como mnimo deberan colocarse dos conductoresverticales, de una seccin no inferior a 25 mm2. Preferentemente en cada piso, pero como mximo a inter-valos de 20 metros, los conductores verticales deben conectarse al sistema de puesta a tierra del edificio. Elpropsito es crear una jaula de Faraday alrededor del edificio, que incluya el conjunto exterior de los con-ductores verticales y las conexiones horizontales de cada piso, creando as unas zonas locales equipoten-ciales en cada planta.

Debe recordarse que un rayo es un fenmeno transitorio, por lo que debern mantenerse bajos la induc-tancia y el efecto piel usando pletinas conductoras instaladas siguiendo recorridos rectos.

Disposicin de los conductores de proteccin en los edificios

Los conductores de proteccin de un edificio satisfacen varias funciones:

Llevan las corrientes de defecto a tierra, permitiendo as la actuacin de las protecciones contra so-brecorrientes.

Llevan las corrientes de fuga de retorno a tierra. Actuan como un plano de referencia para la seal, de tal forma que las interfaces de seal de los

equipos interconectados puedan operar correctamente. Mantienen la Compatibilidad Electro-Magntica (EMC) Derivan las corrientes de ruido desde los filtros RFI de vuelta a la tierra.

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Figura 3 Situacin de los cables de bajada del pararrayos

Con demasiada frecuencia el conductor de proteccin se disea como si fuera nicamente un conductorde proteccin frente a los contactos indirectos y se olvidan por completo sus otras funciones. Es una des-gracia que no se le haya dado un nombre ms expresivo.

Corriente de defectoSe comprende que se deba planificar la instalacin con una adecuada proteccin contra las corrientes dedefecto. Con una proteccin contra sobreintensidades y corrientes de defecto, que haya sido diseada ade-cuadamente, se limitar la duracin de la corriente de defecto as como la energa que se deja pasar sinsobrepasar unos valores seguros. As se acta en el diseo de una instalacin normal. En este contexto loscriterios crticos son la resistencia absoluta respecto a tierra, la resistencia de bucle de la fuente, el cablea-do y el conductor de proteccin.

Corrientes de fugaCon frecuencia se olvidan las corrientes de fuga. Principalmente, stas se generan en los filtros destinados areducir la RFI y, si bien la contribucin de cada equipo es pequea, su suma combinada puede ser importan-te. Estas corrientes se originan en un divisor de tensin capacitivo para toda la tensin de alimentacin y portanto presentan una tensin de fuente en circuito abierto mitad de la tensin de alimentacin. Normalmen-te este punto de la fuente se pone a tierra con el conductor de proteccin. Si queda separada una parte delconductor de proteccin, por ejemplo si se desconecta el conductor de proteccin del circuito radial en elpunto de distribucin, el conductor de proteccin separado quedar con la mitad de la tensin de alimenta-cin. La corriente disponible de la fuente de alimentacin depender del nmero de unidades conectadas siestn conectadas o desconectadas es generalmente irrelevante y puede superar el nivel en el que el con-tacto puede ser fatal. La solucin ms adecuada consiste en garantizar que se mejore la integridad delconductor de proteccin mediante ms de una va desde el punto de conexin de los equipos de retor-no al punto de distribucin. Al menos una de las rutas debe ser un conductor mecnicamente resisten-te, especficamente previsto para ello, mientras que otra ruta conductora puede consistir en una arma-dura del cable, un conducto o una bandeja de cables. Debe tenerse en cuenta que si se utiliza una va deeste tipo, deber instalarse y mantenerse de tal forma que se garantice la continuidad de la conexin. De-bido a que este tipo de corriente de fuga es en realidad un elemento caracterstico del filtro RFI de losequipos, ahora se le denomina en algunos diseos de instalacin sencillamente como corriente del con-ductor de proteccin.

La consideracin ms importante para las corrientes de fuga es la continuidad del conductor de protec-cin. Las corrientes son relativamente pequeas, de tal forma que la resistencia no es el problema, pero elriesgo de descarga si se rompe la conexin es muy elevado. El asunto ms difcil es cmo puede conservar-se la continuidad del conductor de proteccin no hay una forma sencilla de descubrir que tal continui-dad ha quedado comprometida por el fallo de una de las vas. Anlogamente, no hay una indicacin de unfallo completo hasta que no lo descubre un desafortunado usuario.

Plano de referencia de la sealPara que el conductor proteccin pueda actuar como un referente de tensin, de tal forma que los equi-pos interconectados puedan funcionar correctamente, se necesita una impedancia muy baja para un am-plio margen de frecuencias. Aqu la preocupacin es que la totalidad del sistema de puestas a tierra re-presentado por el conjunto de conductores de proteccin deber aparecer como si fuera una superficieequipotencial, en otras palabras: en todo el margen de frecuencias considerado y en toda la superficie deledificio, entre dos puntos cualquiera, la diferencia de potencial debe ser cero. En la prctica, esto no sig-nifica que la diferencia de potencial deba ser realmente cero, sino que debe ser lo suficientemente bajapara no provocar ninguna disfuncin en los equipos instalados. Muchas interfaces de seal utilizan nive-les de tensin diferenciales (interfaces de red, RS 485) y toleran diferencias relativamente elevadas (unospocos voltios) en la tensin de referencia. Algunas interfaces normalizadas ms antiguas, como las inter-faces RS 232 utilizadas para mdems y la IEEE 1284 utilizada para impresoras, tienen un nico terminal yson menos tolerantes.

La Figura 4 muestra interfaces normales con un solo terminal y diferenciales. Una interfaz de terminalnico utiliza un nico conductor de seal y una ruta de retorno a tierra. Como es natural, cualquier dife-rencia de potencial entre las tierras locales en el transmisor y en el receptor estar en serie con la seal


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y es probable que provoque una perturbacin en los datos. La solucin aparentemente ms sencilla de aa-dir otro conductor de seal entre los dos puntos de tierra no es factible, pues por ste circulara unaelevada corriente indefinida que podra provocar interferencias y posibles daos.

Una interfaz diferencial utiliza dos conductores de seal y los datos se envan como una diferencia de ten-sin entre ellos. Lo ideal es que el receptor solamente sea sensible a la tensin diferencial entre las lneasde seal e insensible a la tensin en modo comn (la tensin media en las lneas de seal). En la prcticaesto no es as y la tensin en modo comn debe limitarse a un nivel de quizs uno o dos rdenes de mag-nitud ms de lo necesario para una interfaz de un solo terminal. La relacin entre la sensibilidad diferen-cial y la sensibilidad en modo comn recibe el nombre de relacin de rechazo en modo comn (CMRR) yse expresa en dB de tensin. Para la mayora de los receptores semiconductores la CMRR es elevada a fre-cuencias bajas, pero disminuye rpidamente conforme aumenta la frecuencia. En otras palabras, el uso deinterfaces diferenciales, aunque ayuda a reducir la tasa de errores, no alivia realmente los requisitos del sis-tema de conductores de proteccin.

Debe considerarse que lo importante no es la impedancia absoluta del sistema respecto a tierra sino laimpedancia (dentro de un amplio margen de frecuencias) entre diferentes puntos en el conductor deproteccin.

En general, las medidas necesarias para obtener un buen plano de referencia de una seal son similares alas requeridas para garantizar la EMC que se analiza a continuacin.

Compatibilidad electromagntica

Cada equipo elctrico o electrnico produce una cierta radiacin electromagntica. Anlogamente, tam-bin es sensible, en mayor o menor medida, a la radiacin electromagntica. Cuando todos los equiposfuncionan simultneamente, el nivel acumulado de radiacin en el entorno debe ser muy inferior al nivelque puede afectar al funcionamiento de los equipos que trabajan en dicho entorno. Para conseguir este ob-jetivo los equipos se disean, fabrican y comprueban de acuerdo con una normativa especfica para redu-cir el nivel de radiacin que emiten y aumentar el nivel que pueden tolerar.

La EMC se define en la serie IEC 61000 como:

La capacidad que tiene un equipo o sistema para funcionar satisfactoriamente en un entornoelectromagntico, sin introducir perturbaciones electromagnticas intolerables en ningn puntode ese entorno.

En la prctica, el mantenimiento de esta compatibilidad requiere un exquisito cuidado en el diseo y en larealizacin de la instalacin y del sistema de puesta a tierra. En otras secciones de esta Gua se ofrecen di-rectrices ms detalladas; aqu slo se presenta una perspectiva general.

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Figura 4 Interfaces de un solo terminal (parte superior) y de seal diferencial

Transmisin de un solo terminal

Transmisin diferencial

En la ingeniera elctrica tradicional se usaban sistemas de puesta a tierra separados, por ejemplo tierra pa-ra seales, tierra para ordenadores, tierra para alimentacin, tierra para iluminacin, etc. En la ingenieraelctrica actual se han desarrollado nuevas ideas sobre los aspectos de la puesta a tierra y su relacin conla proteccin de los instrumentos. Se ha abandonado el concepto de sistemas de puesta a tierra separadosy las normativas internacionales actuales prescriben un sistema de puesta a tierra global. No existe nadaparecido a una tierra limpia y sucia.

En la prctica, el concepto de tierra nica significa que los conductores de proteccin (PE CP), los con-ductores de puesta a tierra en paralelo, los armarios y los recubrimientos y pantallas de los cables de datoso potencia estn todos interconectados. Tambin las piezas estructurales de acero y las tuberas de agua ygas forman parte del sistema. Lo ideal es que los cables que entran en una zona se introduzcan por un pun-to en el que todas las pantallas y los dems conductores de tierra estn conectados.

Para reducir las interferencias en los equipos, los enlaces de puesta a tierra entre las pantallas o armadurasde los cables y otras estructuras de puesta a tierra deben ser lo ms cortos que sea posible. Los cables deconexin entre las estructuras metlicas hacen que estas estructuras acten como conductores de puestaa tierra en paralelo. Estas estructuras de puesta a tierra en paralelo se usan tanto para cables de datos co-mo de potencia. Como ejemplos, en orden creciente de efectividad se pueden citar: cables de puesta a tie-rra, escaleras de cables, superficies metlicas planas y la red de puesta a tierra. La resistencia de puesta atierra con relacin a la tierra efectiva es casi siempre poco importante para la proteccin de los equipos.Una forma muy efectiva de puesta a tierra es una trenza de cobre sobre el cable tejida con un factor de co-bertura muy elevado o un tubo continuo de gran seccin transversal, conectados en toda su longitud y enlos extremos del cable.

Para mantener reducida la impedancia de las conexiones en la red de puesta a tierra para altas frecuencias,es necesario utilizar cables litz (trenzados, aislados individualmente) o tiras metlicas con una relacin lon-gitud/anchura inferior a 5. Para frecuencias superiores a 10 MHz no deben usarse cables redondos.

Un suelo flotante puede servir de buen plano equipotencial. El entramado de cobre situado debajo del mis-mo debe tener una separacin mxima de 1,2 metros y estar conectado a la malla comn a travs de mu-chos conductores de conexin equipotenciales. El entramado debe estar conectado a un anillo de cobre de50 mm2 de seccin colocado alrededor del rea del suelo flotante, dentro de los lmites del suelo, a inter-valos de 6 metros. Los cables de potencia y seal deben estar separados entre si al menos 20 cm y, en aque-llos lugares donde se crucen, deben hacerlo en ngulo recto.

Conclusin

El sistema de puesta a tierra de un edificio o instalacin es una parte crtica de la infraestructura elctricay puede condicionar la viabilidad futura de las actividades que se desarrollen en el mismo. Es necesario quesea capaz de soportar corrientes de defecto de corta duracin de varios cientos de amperios, corrientes per-manentes de unos pocos amperios y corrientes vagabundas de alta frecuencia (ruido), haciendo que retor-nen de la fuente a tierra con una cada de tensin prxima a cero para las corrientes de ruido y sin riesgode daos para las corrientes de defecto. Al mismo tiempo debe proteger al personal y a los equipos aloja-dos en el edificio cuando caigan rayos (transitorios rpidos del orden de kiloamperios) en el sistema depuesta a tierra interconectado.

El diseo del sistema de puesta a tierra de un edificio, incluyendo el sistema de proteccin contra rayos, re-quiere gran atencin si deben cumplirse todos los objetivos. Como es habitual, lo mejor y ms econmicoes que se haya diseado correctamente desde el principio, teniendo en cuenta la vida til del edificio y,siempre que sea posible, el posible destino del mismo durante esa vida til. La adecuacin, una vez que eledificio est ocupado, ser siempre una labor costosa.


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Notas

Notas

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Notas

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Contact: Mr B Dme

Copper Development AssociationVerulam Industrial Estate224 London RoadSt Albans AL1 1AQUnited Kingdom

Tel: 00 44 1727 731205Fax: 00 44 1727 731216Email: [email protected]: www.cda.org.uk & www.brass.org

Contact: Mrs A Vessey

Deutsches Kupferinstitut e.VAm Bonneshof 5D-40474 DuesseldorfGermany

Tel: 00 49 211 4796 323Fax: 00 49 211 4796 310Email: [email protected]: www.kupferinstitut.de

Contact: Mr S Fassbinder

ECD ServicesVia Cardinal Maffi 21I-27100 PaviaItaly

Tel: 00 39 0382 538934Fax: 00 39 0382 308028Email: [email protected] www.ecd.it

Contact: Dr A Baggini



Contact: Mr H De Keulenaer

HTWGoebenstrasse 40D-66117 SaarbrueckenGermany

Tel: 00 49 681 5867 279Fax: 00 49 681 5867 302Email: [email protected]

Contact: Prof Dr W Langguth

Istituto Italiano del RameVia Corradino dAscanio 4I-20142 MilanoItaly

Tel: 00 39 02 89301330Fax: 00 39 02 89301513Email: [email protected] Web: www.iir.it

Contact: Mr V Loconsolo

KU LeuvenKasteelpark Arenberg 10B-3001 Leuven-HeverleeBelgium

Tel: 00 32 16 32 10 20Fax: 00 32 16 32 19 85Email: [email protected]

Contact: Prof Dr R Belmans

Polish Copper Promotion Centre SAPl.1 Maja 1-2PL-50-136 WroclawPoland


Contact: Mr P Jurasz

TU BergamoViale G Marconi 5I-24044 Dalmine (BG)Italy


Contact: Prof R Colombi

TU WroclawWybrzeze Wyspianskiego 27PL-50-370 WroclawPoland


Contact: Prof Dr H Markiewicz

KEMA T&D PowerUtrechtseweg 310PO Box 3106800 ET ArnhemThe Netherlands

Tel: 00 31 26 356 3724Fax: 00 31 26 443 3843Email [email protected]: www.kema.nl

Reyer Venhuizen



Princesa, 7928008 Madrid

Tel: 91 544 84 51Fax: 91 544 88 84

Guia Calidad 6 1 Puesta a Tierra

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