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Tierras eléctricasA. Llamas, Jorge de los Reyes P.

Maestría en Ingeniería EnergéticaITESM Campus Monterrey, E. Garza Sada 2501 Sur, C.P. 64849, Monterrey, N.L.

Tel.: 3-284513, Fax: (8)-3284513, email: allamas@campus.mty.itesm.mx

1. Introducción

Se explican las razones de poner a tierrahaciendo distinción entre el aterrizaje delsistema y el aterrizaje del equipo. Se presentany se ilustran las definiciones de los siguientestérminos: tierra eléctrica, aterrizado o puesto atierra, efectivamente aterrizado, conductorpuesto a tierra, conductor de puesta a tierra deequipo, equipo de desconexión principal,conductor del electrodo de aterrizaje, puente deunión principal y sistema derivadoseparadamente. Estas definiciones son deacuerdo al NEC 1996 [1]. Se describen loselectrodos naturales y los artificiales, ilustrandoel concepto de cuerpo de tierra del electrodo.Se muestran dos de los problemas ocasionadospor el uso de electrodos de aterrizaje aislados.Se muestra la necesidad de unir todos loselectrodos en un edificio.

2. Justificación de las puestas a tierra

El NEC 100 define tierra eléctrica “ground”como una conexión entre el circuitoeléctrico y tierra (puesta a tierra del

sistema) o entre el equipo y tierra (puesta atierra del equipo), en caso de que la tierrano esté disponible, la unión es con algúnotro elemento conductor que sustituya a latierra (en el caso de un automóvil la “tierra”es el chasis). Conviene distinguir entre lapuesta a tierra del sistema de alimentación y lapuesta a tierra del equipo. La puesta a tierradel sistema de alimentación eléctricaconsiste en unir al sistema de electrodos uno delos conductores de la acometida o uno de losconductores que salen del secundario de untransformador; a este conductor se le conocecomo conductor puesto a tierra. La figura 1-a) muestra un sistema de alimentación nopuesto a tierra, la figura 1 b) corresponde a unsistema de alimentación eléctrica puesto atierra. El puente de unión principal estabilizala diferencia de potencial entre el sistema dealimentación y tierra. El conductor puesto atierra tiene un voltaje cero o de unos cuantosvolts con respecto a tierra y esa esprecisamente la función de la puesta a tierra delsistema de alimentación.

fase a

fase b

fase c

Ic

Ia

Ib

delta Y

a) sin puesta a tierra

fase a

fase b

fase c

delta Y

b) puesto a tierra

transformador transformador

puente de unión principal

conductorpuesto a tierra

sistema de electrodos

Ic

Ia

Ib

Figura 1. Sistema de alimentación eléctrica

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De acuerdo al NEC 250-1, FPN No.1 (FPN =“Fine Print Note”). Los sistemas dealimentación se ponen a tierra para a) limitar lossobrevoltajes transitorios debidos a descargasatmosféricas, a maniobras con interruptores, b)para limitar los voltajes en caso de contactoaccidental del sistema de alimentación conlíneas de voltaje superior y para estabilizar elvoltaje del sistema de alimentación conrespecto a tierra.

Puesta a tierra de equipos. Los materialesconductores (tuberías y gabinetes metálicos)que contienen conductores y equipo eléctricosse ponen a tierra para limitar el voltaje a tierraentre estos materiales (NEC 250-1, FPN No.2).Los conductores de puesta a tierra de equipo

se unen al conductor puesto a tierra paraproporcionar una trayectoria de baja impedanciaa la corriente de falla, lo que facilitará laoperación de las protecciones de sobrecorrientebajo condiciones de falla a tierra. La puesta atierra de equipos tiene dos propósitos: a) limitarel voltaje de los materiales metálicos noportadores de corriente con respecto a tierra yb) que en caso de falla a tierra, opere laprotección de sobrecorriente. Las figuras 2 a) yb) ilustran un alambrado correcto y la forma enque opera la protección de sobrecorrienteevitando que el chasis se ponga a un voltajepeligroso. La figura 2 c) muestra la forma enque la falta de la puesta a tierra pone en riesgola vida

chasis

fase

neutro

tierra

(a) Alambrado correcto.(b) La protección de sobrecorriente

opera en caso de que el hilo vivo

toque accidentalmente el chasis .

fase

neutro

tierra

i

ichasis

fase

neutro

tierra

chasis energizadojarp

(c) La ausencia de la puesta a tierra de equipo es un peligro de electrocución

Figura 2. Puesta a tierra de equipo.

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3. Definiciones

Tierra eléctrica (“ground”): Una conexiónconductora, intencional o accidental, entre uncircuito o equipo eléctrico y la Tierra (“earth”) oun cuerpo conductor que sirve en lugar de ella.En el idioma inglés se tienen “ground” y “earth”,mientras que en el español se tiene tierra, paraevitar confusiones conviene emplear laexpresión tierra eléctrica.

Puesto a tierra o aterrizado (“grounded”).Conectado a la Tierra o a algún cuerpoconductor que sirva en lugar de ella.

Efectivamente aterrizado (“effectivelygrounded”). Conectado intencionalmente atierra por medio de conexiones de bajaimpedancia y con capacidad de corrientesuficiente para prevenir la formación desobrevoltajes transitorios que pudieran resultaren riesgos indebidos al equipo o a las personas.

Conductor puesto a tierra o conductoraterrizado (“grounded conductor”). Unconductor del sistema de alimentación eléctricaque intencionalmente se pone a tierra.

Conductor de puesta a tierra de equipo(“equipment grounding conductor”). Conductorque conecta las partes metálicas no destinadasa transportar corriente (carcazas, gabinetes,charolas y tuberías) con el conductor puesto atierra, con el conductor del electrodo deaterrizaje o con ambos en el equipo dedesconexión principal o en la fuente de unsistema derivado separadamente.

Conductor del electrodo de aterrizaje(“grounding electrode conductor”). El conductorempleado para conectar el electrodo de puestaa tierra al conductor de puesta a tierra deequipo, al conductor puesto a tierra o a ambosen el equipo de desconexión principal o en lafuente de un sistema derivado separadamente.

Equipo de desconexión principal (“serviceequipment”). Equipo requerido par formar elcontrol principal y medio de desconexión delsuministro, usualmente consiste en uninterruptor termomagnético o un interruptor decuchillas y fusibles y sus accesorios, se localizacerca del punto de entrada de los conductoresde alimentación a un edificio.

Puente de Unión Principal (“main bondingjumper”). La unión o conexión del conductorpuesto a tierra con el conductor de puesta atierra en el equipo de desconexión principal.

La figura 3 ilustra las definiciones anteriores.Tanto el conductor vivo como el conductorneutro portan corriente cuando la carga esalimentada. Bajo condiciones normales deoperación la corriente por el conductor depuesta a tierra, por el conductor del electrodode aterrizaje y por el puente de unión principales cero; solo hay corriente en estos conductoresen presencia de falla a tierra.

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

Figura 3. Conductor puesto a tierra, conductor de puesta a tierra y puente de unión principal

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Sistema derivado separadamente. Unsistema de alimentación ubicado dentro de lapropiedad en el cual la potencia se deriva de ungenerador, de un transformador o de losdevanados de un convertidor y no hay conexióndirecta, incluyendo un conductor sólidamentepuesto a tierra, a los conductores dealimentación de otro sistema.

a) transformador trifásico delta - estrella

c) transformador monofásico de tres hilos

delta Y

x0

x3

x2

x1

x0

x1

x2

x0

x1

d) transformador monofásico

b) transformador trifásico delta - delta

delta delta

x3

x2

x1

Figura 4 Conexiones más comunes de

transformadores

Ejemplos de sistemas derivadosseparadamente en transformadores son lossiguientes: Los secundarios a) delta - estrella, b)delta - delta, c) monofásico de tres hilos, d)monofásico de dos hilos. Estas conexiones semuestran en la figura 4, los conductoressecundarios que se pueden poner a tierraaparecen en verde. Otros ejemplos desistemas derivados separadamente son: a) ungenerador de emergencia con interruptor detransferencia de cuatro polos, b) un UPS con“bypass” a través de transformador y, c) untransformador ferroresonante. 4. Sistema de Electrodos de puesta a tierra.

Los electrodos pueden ser naturales oartificiales.

Electrodos naturales, NEC 250-81:

a) Tubería metálica de agua. Tuberíametálica de agua en contacto directo con latierra. Debe cumplir con lo siguiente:

I. de 3 m o más,II. debe tener como suplemento otro

electrodo natural o uno artificial yIII. debe ser eléctricamente continua, no

se debe depender del medidor o delfiltro para la continuidad. Debeninstalarse puentes en el medidor y elfiltro.

electrodode suplemento

equipo dedesconexiónprincipal

medidor

puente paracontinuidad eléctrica

la tubería de agua debe estarpor lo menos 3 m en contactocon la tierra

Figura 5. Tubería metálica de agua

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b) Estructura metálica del edificio. Si estádisponible se debe unir para formar elsistema de electrodos.

c) Electrodo embebido en concreto. Loscimientos de la construcción siempre que lasvarillas de refuerzo tengan continuidad a lolargo 6 m o más y sean por lo menos de ½”.Un conductor desnudo de cobre de por lomenos 6 m y de calibre 4 o mayor puede serempleado en lugar de las varillas.

equipo dedesconexiónprincipal

varillas de 1/2 " o cobre desnudocalibre 4 o mayor, embebidos enconcreto, longitud de 6 m o más

Figura 6. Cimientos o cobre embebido en

concreto

d) Anillo de tierra (“ground ring”). Un anillo detierra alrededor del edificio o estructura, encontacto directo con la tierra, por lo menos a76 cm bajo tierra y formado por conductordesnudo de cobre de calibre 2 o mayor. Sies posible unirlo en forma alternada a lascolumnas exteriores del edificio (unacolumna sí y otra no) [2], vea la figura 9.

edificio

cobre desnudo calibre 2 o mayor

enterrado 2.5 piés o más

Figura 7. Anillo de tierra eléctrica

Electrodos artificiales, NEC 250-83:

a) Tubería metálica y tanques metálicos.Tubería metálica y tanques enterrados, porejemplo, un pozo con pared metálica. Nousar la tubería metálica de gas comoelectrodo, no usar electrodos de aluminio.

b) Varillas. Las varillas deben tener unalongitud mínima de 2.4 m cuando sean defierro o de acero deben estar galvanizadas orecubiertas de material resistente a lacorrosión.

c) Placas. Una placa de por lo menos 2 ft2, deacero o de fierro y por lo menos de ¼ “ deespesor.

La resistencia de los electrodos artificiales debeser menor a 25 Ω. En caso de que laresistencia sea mayor hay que agregar otroelectrodo en paralelo a una distancia de por lomenos 1.8 m (250-84). Para explicar esto,considérese que una varilla de puesta a tierrase encuentra rodeada por cilindros concéntricosde tierra. Los cilindros cercanos tienen pocaárea y alta resistencia. Los cilindros externostienen menor resistencia. Al haber tomado encuenta cierta cantidad de cilindros, laresistencia de la conexión electrodo - tierra yano disminuye si se agrega un cilindro más. Estacantidad de cilindros forma el “cuerpo de tierraefectivo” del electrodo, el cual abarca uncilindro de radio aproximadamente igual a lalongitud del electrodo y una longitud dos vecesla del electrodo [3], figura 8. De esta forma,para disminuir efectivamente la resistencia delsistema de electrodos, la distancia que debehaber entre dos varillas es de al menos el doblede su longitud, de lo contrario los cilindros detierra que rodean a los electrodos se traslaparány su resistencia efectiva no disminuirá. Ladistancia que manda el NEC de 1.8 m espequeña ya que los cuerpos de tierra setraslapan, 6 m es una distancia consistente conlas dimensiones de los cuerpos de tierra paravarillas de 3 m.

tierra

cuerpo 1 cuerpo 2

Figura 8. Los cuerpos de tierra no se traslapan

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El artículo 250-81 obliga a unir todos loselectrodos naturales o artificiales si estos estándisponibles. La figura 9 ilustra esta situación.

equipo dedesconexiónprincipal

estructura deacero del edificio

electrodo embebidoen concreto

tubería de agua

anillo de tierravarilla

Figura 9. Unir los electrodos disponibles

El artículo 250-80 indica que las tuberías yductos metálicos que no están asociados con elsistema eléctrico (por ejemplo los ductos deaire) deben ser puestos a tierra. Deben unirseen alguno de los puntos siguientes:a) gabinete del medio de desconexión principal;b) conductor puesto a tierra en el medio de

desconexión principal;c) conductor del electrodo si este es de calibre

suficiente; od) a uno o más de los electrodos.

5. Problemas ocasionados por el uso deelectrodos aislados.

Si se tienen electrodos aislados en un mismoedificio, pueden aparecer diferencias depotencial grandes y ocasionar dañoscatastróficos. Con respecto a la figura 10(adaptada de [4]), se tiene una alimentacióneléctrica 1 la cual abastece a las cargas A y B,la fuente 2 alimenta a la carga C, los electrodosdel sistema 1 y del 2 están aislados, mientrasque las cargas A, B y C están unidas por mediode cables de comunicación. Una descargaatmosférica ocasionaría que los gabinetes A y Bse elevaran miles de volts con respecto algabinete C, esta diferencia de potencial pondríaen peligro la vida humana y el equipo.

1 225,000 volts 0 volts

Tierra Profunda

Cables de Comunicación

Potencial en A y B es diferente que en C

Disipación de laenergía del rayo

5 Ω

A

B

C

10 Ω

1 2

Figura 10 Electrodos aislados

Supongamos que el electrodo de un pararrayosy el electrodo de la alimentación eléctrica de unedificio no se unen. En caso de que unadescarga atmosférica cayera en el pararrayos,se tendría que el potencial de todo el equipometálico unido al conductor de bajada delpararrayos estaría a un potencial elevado.Mientras que las partes metálicas puestas atierra del sistema de alimentación eléctrica,quedarían a potencial de tierra profunda, comose muestra en la figura 10. Si están próximaspartes metálicas con diferente potencial podríaocurrir arqueo con consecuencias fatales (eninglés a este arqueo se le llama “sideflash” [4]).Con esto, queda demostrada la necesidad deunir todos los electrodos dentro de un mismoedificio. Conviene aclarar que se deben unir anivel de suelo o tierra y no en otro lugar.La sección NEC 250-86 prohibe emplear losconductores de bajada o los electrodos delsistema de pararrayos en lugar de loselectrodos artificiales de la sección NEC 250-83. La misma sección indica que estaprohibición no significa que los electrodos dedistintos sistemas no se deban unir. NEC 250-86, FPN no. 2 indica que la unión de loselectrodos de los distintos sistemas limitará lasdiferencias de potencial entre los electrodos ylos alambrados asociados. La sección 250-71(b) del NEC da los detalles de la unión delsistema de tierras de alimentación eléctrica conlos otros sistemas de tierra. (pararrayos, cable,comunicaciones y teléfono).

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ITM de 15 A Aislante

Tubo conduit

Tierra “sucia”de acometida

5 Ω5 Ω Tierra “limpia”,

exclusiva y aislada

Filtro capacitivoen corto

Carga

Figura 11. Tierra de computadora, limpia, aislada y exclusiva

Otra práctica, conocida como “tierra decomputadoras aislada, exclusiva y limpia”, quetambién pone en peligro la vida humana sedescribe con la ayuda de la figura 11 (adaptadade [5]). En esta figura hay dos violaciones alcódigo. La primera es que no hay puesta atierra de equipo en el gabinete de la carga, lasegunda es la puesta a tierra exclusiva yaislada. La figura ilustra que un capacitor sepuso en corto circuito, ocasionando que elgabinete de la carga se ponga al mismopotencial que el del conductor vivo. Siconsideramos impedancias de 5 Ω en cada unode los electrodos y voltaje de 120 V, la corrienteserá de 12 A, dicha corriente no será suficientepara que la protección de sobrecorriente opere.La trayectoria que sigue esta corriente es através del conductor vivo, del filtro capacitivoen corto, del gabinete de la carga, del electrodoexclusivo, de la tierra, del electrodo sucio y delconductor puesto a tierra. Esta corriente darálugar a que el gabinete de la carga se ponga a60 V con respecto a tierra profunda . Si alguientoca una columna que está a tierra profunda ytoca el gabinete energizado tendrá 60 V entre

sus dos manos. Con esto es claro que se estánderrotando las funciones de la puesta a tierra deequipo: a) limitar el voltaje de los materialesmetálicos no portadores de corriente conrespecto a tierra y b) que en caso de falla atierra, opere la protección de sobrecorriente.

6. Unión ilegal entre neutro y tierra

En la literatura [6] se insiste que el sistema dealimentación se debe poner a tierra en un solopunto. La figura 12 (a) ilustra el alambradocorrecto, las computadoras están conectadascon cable de comunicación y cuando el voltajeen dicho cable es cero en un extremo, tambiénlo es en el otro. La figura 12 (b) tiene uniónilegal entre neutro y tierra, la corriente delneutro (i) se divide ahora por el hilo neutro (i1),por el cable de tierra (i2) y por el cable de tierrade comunicación (i3). La corriente i3 ocasionaun voltaje entre las dos computadoras debido ala resistencia del cable de comunicación. Hayerror en la comunicación y en caso extremo laentrada de comunicación se puede dañar.

computadoras

+-

h

g

i

n

h

g

R com

+ -v = 0

n

+-v = 0

a) Alambrado correcto

+-

i

R com

+ -v = 0

+-v = Rcom i3

i1

i2

i3

b) Unión ilegal neutro - tierra

i3

Figura 12. Problema debido a unión ilegal de tierra y neutro

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Además de voltajes y corrientes indeseables enlos cables de comunicación, la unión ilegalentre neutro y tierra da lugar a fuerzasmagnetomotrices que no se cancelan. Loscampos magnéticos resultantes puedenocasionar interferencia electromagnética encomputadoras, monitores y proyectores devídeo. La Figura 13 ilustra dicha situación. Enla Figura 13 a), el campo magnético es débilpues la corriente encerrada es cero. Una pinzade corriente detectaría 0 A. En la Figura 13 b)la densidad de campo magnético es intensapues la corriente encerrada es igual a la quecorriente que se va por la canalización de loscables de comunicación. Una densidad decampo magnético del orden de 2 mG no debeocasionar ningún problema en los equiposmencionados. Pero una intensidad de campomagnético de 20 mG puede ocasionar que laimagen de un monitor sea inestable, en elidioma inglés a esto se le conoce como “monitorjittering”.

7. Bibliografía

[1] Early, Sheehan and Caloggero, 1996National Electrical Code Handbook, NationalFire Protection Association.[2] Fred Hartwell, “Understanding NE CodeRules on Grounding and Bonding,” ElectricalConstruction and Maintenance, IntertecElectrical Group, 1994, ISBN: 0-87288-543-7.[3] Joseph R. Knisley, “Understandinggrounding electrode requirements of the NE

Code,” Electrical Construction and Maintenance,September 1991.[4] Keneth M. Michaels, “Effective Grounding ofElectrical Systems,” Electrical Construction andMaintenance, Jan. 94.[5] US Department of Commerce, NationalBureau of Standards, “Guideline on ElectricalPower for ADP Installations,” FederalInformation Processing Standards - Publication94, September 21, 1983.[6] IEEE Recommended Practice for Groundingof Commercial Power Systems, IEEE Std 142-1991, ISBN: 1-55937-141-2.

i

i

canalización de cables de comunicación

canalización de cables de alimentación

campo magnético débil

i1

i

canalización de cables de comunicación

canalización de cables de alimentación

campo magnético intenso

i

i2

ienc = 0 ienc = i2

i2

a) Sin unión ilegal neutro - tierra b) Unión ilegal neutro - tierra

Figura 13. Campo magnético Intenso debido a unión ilegal neutro - tierra