Libro de texto 4- Protección de personal y equipo

Centro de Estudios de Energía -all

Libro de texto4- Protección de personal y equipo

Tierras eléctricas, Armando Llamas, Jorge de los Reyes, Jesús Baez, Innovación Editorial Lagares, Monterrey, 2005.


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


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


¿Dónde ocurren las electrocuciones?

102 Carreteras

120 Granjas

120 Descargas atmosféricas

384 Empresas

474 HogarMuertes promedio anuales ocasionadas por electrocución en un período de 25 años (1960-1985) EEUU

Adaptado de Square D,Electrical Safety Seminar


•Choque o toque eléctrico, electrocución

•Explosión, partes metálicas a alta

velocidad y material fundido

•Arco eléctrico, quemaduras

Riesgos de la electricidad


Excepciones 250-5EXCEPCIÓN 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.


Toque o choque eléctrico

Es la estimulación eléctrica que

ocurre cuando pasa

corriente eléctrica por el cuerpo.

El efecto en el cuerpo depende de

La cantidad de corriente que pase

Por dónde pase la corriente

La condición física de la persona


Efecto de los choques eléctricos (cantidad de corriente)

20

15

10

4

.050

.030

.015

.010

.005

.001

4 A o másParálisis 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

15 mA - Los músculos del 50% de la población se paralizan

>10 mA - Umbral de parálisis en los brazos

5 mA - GFCI Nivel de disparo

1 mA - Nivel de percepción


Ejemplo 1

• Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 k, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 , y la de contacto con suela mojada de cuero es 12 k. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá.

• SOLUCIÓN: La resistencia total es 15 k, la corriente es 8.0 mA. Le dolerá y podrá soltar.


EJEMPLO 2

• Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 k, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 , y la de contacto con suela de cuero seca es 100 k. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá.

• SOLUCIÓN:

• La resistencia total es 103 k, la corriente es 1.2 mA.

• Apenas sentirá un leve dolor.


EJEMPLO 3

• Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 k, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 , y la de contacto con suela de hule es 20 M. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá.

• SOLUCIÓN: – La resistencia total es 20 M– La corriente es 0.006 mA.

– Muy por debajo del umbral de percepción.


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.


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 disponiblede corto circuito.


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.


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


La protección que ofrece la puesta a tierra de equipos

Conductor puesto a tierra o neutro

Conductor no puesto a tierra o vivo

Portalámparas

metálico

h

n

Conductor de puesta a tierra de equipos

Conductor puesto a tierra o neutro

Portalámparas

metálico

h

n

Conductor no puesto a tierra o vivo

Portalámparas metálico sin conductor de puesta a tierra.

Portalámparas metálico bien alambrado


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.


Reemplazo de receptáculos sin puesta a tierra

Medidor kWh Caja cuchilla y fusible

Tablero con dos unidades térmicasCircuito

derivado para

tomacorrientes

Circuito

derivado para

alumbrado

VarillaTubería metálica de agua al interior


Contacto directo con el vivo de un tomacorrientes

conductor de puesta a tierra

conductor puesto a tierra

conductor vivo

CFE

Tierra remota

Resistencia del electrodo Resistencia de contacto y del

suelo

La puesta a tierra de equipos no evita riesgo de electrocución en caso de contacto directo


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.


Interruptor con protección de falla a tierra

G F C I

G r o u n d F a u l t C i r c u i t I n t e r r u p t e r

S e n s o r d e

c o r r i e n t e r e s i d u a l

g

n

h

C i r c u i t o d e

d i s p a r o

R E S E T T E S T

i 1

i 2

residual corriente 21 ii


Operación de un interruptor con protección de falla a tierra

g

n

h

C i r c u i t o d e d i s p a r o

D e b i d o a l a c o r r i e n t e r e s i d u a l e l c i r c u i t o e l e c t r ó n i c o d e d i s p a r o a b r i r á l o s d o s p o l o s d e l i n t e r r u p t o r

i 1

i 1

121 i residual corriente ii


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


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.


Curvas de fibrilación ventricular y de apertura de GFCI

Tiempo máximo

de disparo de un

GFCI clase A UL

1

10

100

1000 10 100 1000 10000

Tiempo (ms)co

rrie

nte

(mA

)

No hay reacción

Tiempo de disparo de

un GFCI clase A típico

Fibrilación ventricular

Un GFCI clase A debe tener un tiempo de disparo máximo dado por:


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.


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.


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.

g

n

h

Circuito de disparo

Debido a que el neutro está abierto la electrónica de disparo no cuenta con alimentación y a pesar de que el sensor de corriente le envíe una señal no disparará.

i1

neutro abierto

i1


RECEPTÁCULO GFCI PARA PROTEGER OTROS RECEPTÁCULOS

Sensor de

corriente residual

g

n

h

Circuito de

disparo

RESET TEST

Terminales de línea Terminales de carga

LOS RECEPTÁCULOS con GFCI pueden alimentar otros receptáculos, mediante las terminales de carga. Es muy importante NO intercambiar las terminales.


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.

Sensor de

corriente residual

g

n

h

Circuito

de

disparo

RESET TEST

Terminales de línea Terminales de carga


UNIÓN ILEGAL NEUTRO - TIERRAUNA 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.

Sensor de

corriente residual

g

n

h

Circuito de

disparo

RESET TEST

i

i1

i2

i3

i4


EJEMPLO 8SOLUCIÓN:

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.

• 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?

Sensor de

corriente residual

g

n

h

Circuito de

disparo

RESET TEST

i

i1

i2

i3

i4


Bobina de inducción de voltaje

Sensor decorriente residual

g

n

h

Circuito de

disparo

RESET TEST Circuito de inducción de

voltaje



Voltaje neutro - tierra a la salida de un receptáculo con GFCI

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 1

tiempo. s

Vn

g, V

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005

tiempo, sV

ng, V


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.

Sensor decorriente diferencial

h

Circuito

de disparo

Circuito de inducción de

voltaje



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.


Extensión con GFCI

Sensor decorriente residual

g

Circuito de

disparo

RESETTEST

n

h

Circuito de inducción de

voltaje


M

M

M

Clavija

Receptáculo


Protección de falla a tierra de equipos

ReléBobina de

disparoReléBobina de

disparoReléBobina de disparo

a) El transformador enlaza a todos los conductores b) El transformador enlaza al puente de unión principal

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.


GFPE – El transformador enlaza el PUP

ReléBobina de

disparoReléBobina de

disparoReléBobina de disparo

a) El transformador enlaza a todos los conductores b) El transformador enlaza al puente de unión principal


Protección de equipo contra fallas a tierra con sensor en neutro

Relé


250-94

CobreAluminio o aluminio revestido de cobre

CobreAluminio o

aluminio revestido de cobre

2 o menor 1/0 ó menor 8 61 ó 1/0 2/0 ó 3/0 6 4

2/0 ó 3/0 4/0 y hasta 250 kcmil 4 2Más de 3/0 y hasta 350

kcmilMás de 250 kcmil y hasta

500 kcmil2 1/0

Más de 350 kcmil y hasta 600 kcmil


1/0 3/0



2/0 4/0

Más de 1100 kcmil Más de 1750 kcmil 3/0 250 kcmil

Tamaño del conductor mayor de acometida o área equivalente de conductores en paralelo

Tamaño del conductor del sistema de electrodos

Tabla 250-94 Conductor del electrodo de puesta a tierra


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).


250-95

Capacidad o ajuste máximo del dispositivo automático de protección contra sobrecorriente en el circuito antes

de los equipos, canalizaciones, etc.(A)

Cable de

cobre

Cable de aluminio

15 14 1220 12 1030 10 840 10 860 10 8

100 8 6200 6 4300 4 2400 3 1500 2 1/0600 1 2/0800 1/0 3/01000 2/0 4/01200 3/0 250 kcmil1600 4/0 350 kcmil2000 250 kcmil 400 kcmil2500 350 kcmil 600 kcmil3000 400 kcmil 600 kcmil4000 500 kcmil 800 kcmil5000 700 kcmil 1200 kcmil6000 800 kcmil 1200 kcmil

Tabla 250-95. Tamaño nominal mínimo de los conductores de tierra para canalizaciones y equipos


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).


EJEMPLO 11Una 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

conductor puesto atierra de acometida

barra de neutros

puente de uniónprincipal

barra de tierras

equipo dedesconexión principal

conductor del electrodode puesta a tierra

electrodo de puesta a tierra

conductor de puesta a tierra

conductor puesto a tierra

conductor vivo

CFE

medidor

conductor de puesta a tierra de equipos

tubería metálica de agua en interior

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