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    • Elegir entre diseños de sistemas eléctricos conectados y no conectados a tierra

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    Los sistemas de conexión tierra y blindaje son de importancia clave para los ingenieros eléctricos. Es necesario entender las operaciones básicas entre sistemas eléctricos conectados y no conectados a tierra para que corresponda a la topología de conexión a tierra adecuada para el desempeño deseado del sistema eléctrico.

    La selección de la topología adecuada de conexión a tierra para un sistema de distribución eléctrica es importante para garantizar la seguridad y salud de los ocupantes, así como la operación confiable y segura del equipo eléctrico. De acuerdo con NFPA 70: Código Eléctrico Nacional (NEC), en el Artículo 250,4(A)(1), el propósito de la conexión a tierra del sistema eléctrico es, "Limitar el voltaje impuesto por iluminación, sobrecargas de línea o contacto no intencional con líneas de voltaje superior que van a estabilizar el voltaje a la tierra durante la operación normal". El enfoque del Artículo 250 es describir las topologías de conexión a tierra disponibles entre sistemas conectados y no conectados a tierra y cómo operan.

    El propósito de conectar a tierra el sistema eléctrico como se establece en NFPA 70: El Código Eléctrico Nacional (NEC), es "Limitar el voltaje impuesto por iluminación, sobrecargas de línea o contacto no intencional con líneas de voltaje superior que van a estabilizar el voltaje a la tierra durante la operación normal". Para alcanzar estas metas, el NEC proporciona el marco para la selección de metodologías de conexión a tierra en el Artículo 250. El enfoque de este artículo es describir las topologías de conexión a tierra disponibles entre sistemas conectados y no conectados a tierra y cómo operan.

    La importancia de proporcionar un circuito con una conexión sólida a tierra para seguridad se reconoció en las primeras ediciones del NEC. De acuerdo con "IAEA Soares Book on Grounding" (El Libro IAEA Soares sobre conexión a tierra), hace 100 años, el comité de NEC de 1913 requirió que los "secundarios del transformador de los sistemas de distribución se deben conectar a tierra, tomando en cuenta la diferencia máxima de potencial entre el punto conectado a tierra y cualquier otro punto en el circuito no exceda 150 V y se puede conectar a tierra cuando la diferencia máxima del potencial entre el punto conectado a tierra y cualquier otro punto en el circuito exceda 150 V". El comité del código reconoció que cuando ocurre una falla en un circuito conectado a tierra, el conductor conectado a tierra mantiene el votaje del sistema a un voltaje de fuente estable en lugar de flotarlo a un potencial mayor. Esto protege a las personas de quedar expuestos a un choque potencialmente letal si tocaran una línea, equipo o chasis con falla.

    Sistemas conectados a tierra en forma sólida
    Hoy en día, debido a que los sistemas conectados a tierra ofrecen mayor estabilidad de voltaje, la mayoría de los sistemas descritos en el Artículo 250,20 del NEC requieren un sistema conectado a tierra, ya sea un sistema conectado en forma sólida a tierra o un sistema conectado a tierra con impedancia. Históricamente, el sistema usado más comúnmente es el sistema conectado a tierra en forma sólida (ver la Figura 1).

    El NEC permite hasta 25 ohms de resistencia de tierra, reconociendo diferentes resistividades de tierra encontrados a lo largo de E.U.A. Sin embargo, a menor resistencia de tierra (o mayor conductividad de tierra), mejor operará el sistema de detección de falla de tierra. Normalmente, 5 ohms es una buena base de diseño para edificios comerciales. Se puede requerir una menor impedancia de tierra para algunos equipos de imagenología médicos. En un sistema con conexión sólida a tierra, el sistema de falla de tierra se desempeña mejor con una mejor resistencia de electrodos de tierra. El Artículo 250,2 del NEC establece que una ruta de corriente de falla de tierra efectiva consiste en "una ruta construida intencionalmente, de baja impedancia, eléctricamente conductora diseñada y hecha intencionalmente para llevar corriente bajo condiciones de falla de tierra". Por lo tanto, en un sistema con conexión sólida a tierra, la intención del diseño es proporcionar una referencia de tierra para abrir un circuito lo más rápido posible para aislar la falla con base en el flujo de alta corriente. Esto evita que la falla escale y también protege los motores conectados y el equipo del daño (ver la Figura 2).

    Tipos de fallas
    Hay varios tipos de fallas que un sistema eléctrico debe estar diseñado para soportar. El peor caso, pero la falla más común es una falla apernada trifásica con poca o nula impedancia de circuito en la ruta de la falla. El equipo normalmente se dimensiona y se nota con una capacidad de corriente de falla basada en cálculos de falla para estas situaciones. Con poca impedancia en un circuito conectado a tierra, los niveles de corriente de falla son posibles y los riesgos de inflamación de arco pueden estar presentes en un sistema con conexión sólida a tierra. Los niveles altos de corriente de falla se consideran una de las principales desventajas de un sistema con conexión sólida a tierra. Por ejemplo, en una falla de línea trifásica a tierra, el voltaje permanece constante y debido a que la impedancia del sistema se minimiza intencionalmente, un resultado directo de la aplicación de la Ley DE Ohm predice un flujo alto de corriente de falla. Un beneficio de corriente de falla alta causará que los dispositivos de protección contra sobrecorriente corriente arriba capte y opere rápido para aislar las fallas a medida que regresan a la fuente dentro de las rutas diseñadas para que tengan la menor resistencia. Depende del diseñado el proporcionar una ruta adecuada para guiar la falla de regreso a la fuente con estrategias tales como acoplamientos de compresión en las pistas, el enlace al acero y las pruebas periódicas del sistema de electrodo de tierra.

    Debido a que la importancia del flujo de corriente es suficientemente alto para disparar dispositivos de sobrecorriente, el NEC requiere que el enlace de neutral a tierra se hará dentro del equipo de entrada de servicio. Esto es esencial para que el esquema de detección de fallas de tierra opere correctamente. Si la tierra se hace fuera del equipo, la reactancia del circuito va a incrementar. La impedancia total del circuito se expresa como (R+Xj), donde Xjes la reactancia del sistema. Cuando la impedancia total del sistema es demasiado alta, el dispositivo de protección contra sobrecorriente puede no operar como se desea. La conexión a tierra en una sola ubicación en la fuente también da beneficios para el sistema eléctrico general evitando corrientes circulantes.

    Aunque un diseñador debe considerar el escenario del peor caso, la falla trifásica es bastante poco frecuente. De hecho, las fallas de línea a tierra representan de 90% a 95% de todos los eventos de falla registrados en escenarios industriales. Estas fallas pueden manifestarse como fallas de arco, que pueden causar flujo de corriente a un nivel inferior al de la capacidad de dispositivos de sobrecorriente. Esto se considera una seria desventaja del sistema conectado a tierra en forma sólida debido a que estas fallas pueden quedar no detectadas hasta que ya exista daño en el equipo. El remedio del diseño es introducir la detección de fallas de tierra en el circuito. Durante los años 70, el NEC reconoció este problema y agregó idioma para requerir que los alimentadores con capacidad de 1.000 A o más en sistemas conectados a tierra en forma sólida de 480/277 V se equiparan con detección de falla de tierra. La detección de falla de tierra se puede complicar, en especial si se usan varios niveles dentro de un sistema. Similar a la coordinación de interruptores de circuito, es necesario coordinar las curvas de tiempo-corriente para protección contra sobrecorriente de falla de tierra para evitar que los interruptores de corriente arriba se disparen antes de que el interruptor GFI más cercano a la falla. De lo contrario, más sistemas de los deseados quedarán fuera de línea.

    Los transformadores modernos de bajo voltaje principalmente están diseñados y construidos con primarias delta y secundarias de conectores. En la mayoría de las aplicaciones comerciales e industriales, el voltaje estandarizado es de 480/277 V en el lado secundario. Versiones anteriores de NEC

    no requirieron sistemas a conectarse a tierra en el lado secundario para voltajes mayores a 150 V. La conexión a tierra de los secundarios de estos transformadores de servicios para seguridad y para minimizar el riesgo del equipo no llegó a un buen momento hasta mediados de los años 30. Una solución rentable fue conectar a tierra una esquina del secundario delta. Por lo tanto, muchas estructuras históricas todavía tienen transformadores de servicio delta-delta en operación donde una esquina del transformador se conectó a tierra para proporcionar energía de 120 V/240 V dentro de la instalación.

    La meta primaria para un sistema conectado a tierra en forma sólida es abrir el circuito lo más rápido posible para limitar el daño y el riesgo a la vida. Para plantas grandes de proceso e industriales, el paro del proceso puede ser igualmente peligroso. Antes de los años 30s, el concepto de un sistema no conectado a tierra todavía estuvo en favor debido a los beneficios de continuidad de servicio que proporcionó el sistema no conectado a tierra. Una falla en un sistema no conectado a tierra no causa el interruptor de circuito fuente para disparar. De hecho, el sistema seguirá operando hasta que el operador rastree la falla o hasta que una segunda falla cause una falla en la tierra en un componente principal en el sistema eléctrico, durante la cual hay grandes magnitudes de flujo de corriente (ver la Figura 3). Mientras que teóricamente este sistema no está conectado a tierra, en realidad las tres fases están acopladas en forma capacitiva a tierra (ver la Figura 4).

    En lugar de una tierra verdadera, la capacitancia del sistema es la que ayuda a estabilizar el voltaje durante condiciones normales de operación. Sin embargo, durante una falla- normalmente de línea a tierra (mediante la capacitancia del sistema)- no hay conexión directa a tierra, y no hay flujo alto de corriente que de otra forma dispararía el interruptor de circuito para aislar la falla. 

    En lugar de esto, causa que el voltaje de fase eleve 1,73 veces el voltaje en las otras fases sin disparar el interruptor (de "Protección de Falla de Tierra en Sistemas no conectados a Tierra y Conectados a Tierra de alta Resistencia", Post Glover). Si los sistemas de cable y los sistemas de motor no se especificaran para soportar estos niveles de voltaje más altos, los sistemas eléctricos estarían sujetos a tensiones no deseables que causarían daño con el tiempo. Además, si ocurre una falla intermitente, tal como una falla de arco, que puede golpear y volver a golpear, puede presentarse sobrevoltaje de hasta 6 veces más que el voltaje típico de línea, lo que puede dañar severamente el aislamiento del cable y el equipo sensible. A medida que el equipo envejece, se hace más vulnerable a estos golpes hasta que, finalmente, tiene fallas a tierra a lo largo de casos en equipo- o peor- a través de una persona. Debido a que los interruptores de circuito no se disparan, las fallas en un sistema no conectado a tierra son difíciles de rastrear y con frecuencia no se detectan hasta que ocurra el daño mayor al equipo durante una segunda falla. Debido a estos problemas, algunas plantas industriales en los años 30 comenzaron a convertir sus infraestructuras eléctricas a sistemas conectados a tierra.

    Sistemas no conectados a tierra y conectados a tierra con resistencia
    Aunque el NEC requiere que la mayoría de los sistemas eléctricos se conecten a tierra, algunos en realidad requieren no estar conectados a tierra. Hay sólo cinco sistemas/subsistemas de energía eléctrica diferentes anotados en NEC, en el Artículo 250,22 donde el comité del código determinó que los peligros de la conexión a tierra sobrepasan los beneficios de seguridad de la conexión a tierra. Uno de estos tipos de sistemas es un sistema de energía aislado, que es un sistema de energía de distribución de tamaño limitado, normalmente para el uso en quirófanos de hospital. Se requiere que estas áreas tengan un sistema no conectado a tierra debido a que se consideraría inaceptable tener un apagón durante un procedimiento quirúrgico. Un sistema de energía aislado típico consiste en un transformador de aislamiento unifásico de 10 kVA en el que el lado secundario permanece sin conexión a tierra. El blindaje electrostático del transformador está conectado a tierra y desvía el ruido de alta frecuencia a tierra. El equipo de 120 V conectado a estos sistemas continuará operando después de la primera falla, igual que en un sistema no conectado a tierra. Estos sistemas de energía son especialmente adecuados para usarse en quirófanos donde puede haber agua o fluidos y donde un receptáculo de GFCI (requerido según el NEC en áreas húmedas) normalmente requeriría estar instalado. La instalación del panel de energía aislado tiene una alarma local, por lo que si hay una falla de tierra, se notificará al equipo, pero no es necesario interrumpir los procedimientos continuos.

    Durante los años 70, se agregó lenguaje al NEC para requerir sensores de disparo de falla de tierra a los alimentadores de 1.000 A y por encima de sistemas eléctricos conectados a tierra de 480 V. La necesidad de continuidad de servicio eléctrico para el sector de proceso industrial impulsó la necesidad de un sistema híbrido para combinar los beneficios de estabilidad y seguridad del sistema conectado a tierra con los beneficios de servicio continuo del sistema no conectado a tierra. Durante este tiempo, los sistemas conectados a tierra con resistencia comenzaron a ganar tracción. La continuidad de servicio hace que este tipo de sistema de conexión a tierra asea muy atractivo hoy en día para la industria tradicional de pulpa y papel, así como para centros de datos de alta tecnología. Un sistema conectado a tierra con impediancia incorpora los beneficios del sistema conectado a tierra y el no conectado a tierra. El Green Book (Libro Ecológico) de IEEE identifica los siguientes beneficios:

    • Reduce los efectos de quemado y derretido en equipo eléctrico con fallas
    • Reduce el estrés mecánico en circuitos y cables con falla
    • Reduce peligros de descarga eléctrica causados por corrientes de falla de tierra en la ruta de tierra
    • Reduce el peligro de explosión o inflamación de arco
    • Reduce la caída momentánea de voltaje de línea causada por una falla y la liberación subsecuente
    • Controla los sobrevoltajes transitorios yu evita el apagado de circuito en la primera falla de tierra.

    Los sistemas conectados a tierra con impedancia incluyen configuraciones de tierra de alta resistencia (HRG) y tierra de baja resistencia (LRG). Para un transformador conectado con dispositivos, la Figura 5 demuestra cómo hay correspondencia de una resistencia conocida con el perfil de carga de la instalación y se inserta directamente entre el secundario del transformador de servicio y la tierra. Para lograr esto con un transformador secundario delta, se debe crear un neutral artificial usando un transformador en zigzag.

    En un sistema HRG conectado, las fallas intermitentes causan mucho problema en sistemas no conectados a tierra se eliminarán por la resistencia de tierra de sistema neutral debido a que su inserción limita el flujo de corriente total a tierra.

    La continuidad del sistema se mantiene debido a que, aunque ocurre la alarma de falla de tierra, no operan los dispositivos de sobrecorriente. Este flujo de corriente en un sistema de bajo voltaje (480 V a 600V) se limitará normalmente a 10 A para que la falla se pueda ubicar y luego se repare a una hora programada sin exponer al personal a niveles de falla peligrosos (ver la Figura 6). Mientras que los sistemas HRG son una buena adaptación para centros de datos grandes, hay desventajas, tales como la mala aplicación de dispositivos de protección contra sobrecarga (deben tener la capacidad de circuitos neutrales no conectados a tierra), y el UPS se debe conectar a tierra en un método compatible en su cableado de entrada y salida. Las fallas de rastreo son algo difíciles y se deben alcanzar en circuitos vivos usando pulsadores de circuito.

    Los sistemas conectados a tierra con LRG normalm,ente se usan para aplicaciones de voltaje medio de 15 kV donde la corriente de carga puede ser demasiado alta para corresponder a un HRG. Los sistemas LRG tienden a operar en forma más similar a un sistema conectado a tierra en forma sólida que a un sistema no conectado a tierra.

    sistema. En este caso, la resistencia agregada limita las corrientes de falla entre 200 A y 400 A, lo cual es demasiado alto para permitir la operación continua durante una falla. Por lo tanto, el equipo de detección de falla de tierra se debe ajustar para disparar lo más rápido posible en caso de detección. La ventaja de controlar la corriente es que se puede mejorar la selectividad mejorada entre los dispositivos de protección contra sobrecorriente en el sistema. Es interesante notar que a lo largo del ciclo de código de 1999, los sistemas conectados a tierra con impedancia/resistencia estuvieron en el mismo artículo que los sistemas no conectados a tierra debido a sus similitudes operativas.

    Conclusión
    El NEC proporciona el marco para aplicar sistemas no conectados a tierra y conectados a tierra. La Tabla 1 resume los beneficios y desventajas de estos distintos sistemas de conexión a tierra según lo organizó el NEC. En una instalación con una necesidad predominante de cargas de línea a tierra, el NEC requiere claramente un sistema conectado a tierra en forma sólida. El sistema conectado a tierra en forma sólida es el más sencillo y el más barato de implementar en el campo. Normalmente se encuentra en edificios comerciales de hoy en día. En contraste, si una instalación sólo tiene cargas trifásicas y el terminado de sus procesos internos se considera un riesgo demasiado pesado, entonces un sistema no conectado a tierra tiene méritos definitivos. Sin embargo, hay una tierra media, donde se requiere continuidad de servicio, y se requieren los beneficios de aislar y ubicar una falla para seguridad agregada. En estas situaciones, uno puede considerar un sistema HRG que tenga un registro de pista probado para uso en plantas de procesos industriales, así como diseños de centros de datos grandes. El sistema HRG proporciona un sistema de tierra de un solo punto para la instalación. Sin embargo, si, y cuando hay una falla de tierra, la falla no causará una pérdida de tiempo. 

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    El Artículo 250 de NEC ha permanecido bastante tiempo sin cambios durante los años, con pocos cambios apuntados en los años 40 y 70. Se debe dar mucho rédito a los miembros del comité del código original para entender los fundamentos y los beneficios de seguridad de la conexión a tierra del sistema. Aunque la conexión a tierra con frecuencia se ve como misteriosa, el apegarse al código va a salvaguardar a los ocupantes y al equipo de la instalación.

    Elizabeth Sharpe, PE, Affiliated Engineers Inc., Seattle
    01/10/2013

    Sharpe es una ingeniera eléctrica senior en Affiliated Engineers Inc. Ella tiene más de 20 años de experiencia en diseño en instalaciones de educación superior, instalaciones de investigación y proyectos críticos de misión. Sus proyectos más recientes han sido para el Fred Hutchinson Cancer Research Center y la Universidad de Washington, la Instalación de Investigación de la Facultad de Medicina, ambos en el vecindario de South Lake Union de Seattle.

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