Libro de texto Tierras elctricas Armando Llamas Jorge

Libro de texto Tierras eléctricas, Armando Llamas, Jorge de los Reyes, Jesús Baez, Innovación Editorial Lagares, Monterrey, 2005. Centro de Estudios de Energía -all

Contenido • Sistemas no puestos a tierra • Electrodos aislados • Unión neutro tierra • El tomacorrientes o receptáculo • Transformador de aislamiento – DISTURBIOS DE MODO COMÚN Y DE MODO DIFERENCIAL – VOLTAJE DE NEUTRO A TIERRA – AISLAMIENTO GALVÁNICO • Impedancia del conductor del electrodo • Puesta a tierra de equipos aislada • Estructura de referencia de señal Centro de Estudios de Energía -all

Introducción LA MAYORÍA de los problemas de la mala calidad de la energía eléctrica se deben a errores de alambrado, y de éstos la mayoría están relacionados con tierras eléctricas. Por ello, en este segmento decidimos abordar algunos de los errores de alambrado más comunes, así como los problemas que éstos ocasionan. Se presenta la manera en que el transformador de aislamiento aminora algunos disturbios. Centro de Estudios de Energía -all

Sistemas que deben ponerse a tierra La sección 250 -5 (b) indica qué circuitos de c. a. de 50 a 1 000 V se deben poner a tierra: 1) Cuando el sistema puede ser puesto a tierra de modo que la tensión eléctrica máxima a tierra de los conductores no-puestos a tierra no exceda 150 V. 2) Cuando en un sistema de tres fases y cuatro conductores conectado en estrella el neutro se utilice como conductor del circuito. 3) Cuando en un sistema de tres fases y cuatro conductores conectado en delta el punto medio del devanado de una fase se utilice como conductor del circuito. 4) Cuando un conductor de acometida puesto a tierra no esté aislado, según las excepciones de 230 -22, 230 -30 y 230 -41 de la NOM Centro de Estudios de Energía -all

120 V 127 V 120 V (1) ≤ 150 V líneas a tierra 240 V (2) Se usa el punto central de la Y para alimentar cargas de línea a neutro 240 V 120 V 277 V (4) Llega un desnudo en acometida 120 V 240 V (3) Se usa el punto central de una fase de la delta Centro de Estudios de Energía -all

Excepciones 250 -5 EXCEPCIÓN 1: Los sistemas eléctricos usados exclusivamente para suministrar energía a hornos eléctricos industriales para fundición, refinado, templado y usos similares. EXCEPCIÓN 2: Los sistemas derivados independientes utilizados únicamente para rectificadores que alimenten sólo a motores industriales de velocidad variable. EXCEPCIÓN 3: Eléctrica nominal del primario sea inferior a 1 000 V, siempre que se cumplan las condiciones siguientes: – Que el sistema se use exclusivamente para circuitos de control. – Que las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personas calificadas atienden la instalación. – Que haya continuidad de la energía en el control. – Se instalan detectores de falla a tierra en el sistema de control. EXCEPCIÓN 4: Los sistemas aislados, tal como lo permiten los artículos de la Norma Oficial Mexicana. NOTA: El uso de detectores adecuados de tierra en instalaciones sin aterrizar, puede ofrecer mayor protección. EXCEPCIÓN 5: Los sistemas con neutro a tierra a través de una alta impedancia en el que la impedancia a tierra, generalmente una resistencia, limite al mínimo el valor de la corriente eléctrica de falla a tierra. Se permiten sistemas con neutro a tierra a través de una alta impedancia en instalaciones trifásicas de c. a. de 480 a 1 000 V, siempre que se cumplan las condiciones siguientes: – Que las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personas calificadas atienden la instalación. – Que se requiera continuidad en la energía. – Que se instalen detectores de falla a tierra en el sistema. – Que el sistema no alimente cargas de línea a neutro. Centro de Estudios de Energía -all

250 -5 (d) Puesta a tierra de sistemas derivados separadamente Un sistema de alambrado de usuario cuya alimentación se deriva de los devanados de un generador, transformador o convertidor y no tenga conexión eléctrica directa, incluyendo un conductor del circuito sólidamente puesto a tierra, para alimentar conductores que se originan en otro sistema, sí se debe poner a tierra según lo anteriormente indicado en (a) o (b). Se debe poner a tierra como se indica en 250 -26 de la NOM. NOTA 1: Una fuente alterna de energía de c. a. , por ejemplo un generador, no es un sistema derivado separadamente si el neutro está sólidamente interconectado al neutro de la instalación que parte de una acometida. NOTA 2: Para los sistemas que no son derivados separadamente y que no se exige que estén puestos a tierra como se especifica en 250 -26, véase en 445 -5 el tamaño nominal mínimo de los conductores que deben transportar la corriente eléctrica de falla. Centro de Estudios de Energía -all

Ejemplo 1 • Un transformador ferrorresonante no puesto a tierra en donde la falla se manifestaba como la interrupción intermitente de la comunicación entre equipos electrónicos. Centro de Estudios de Energía -all

Mediciones en secundario de ferrorresonante no puesto a tierra Las mediciones sugerían que el secundario estaba sin puesta a tierra. Para comprobarlo, se conectó una lámpara incandescente entre L 2 y G. Al momento de conectar la lámpara el voltaje cambió de 60 V a cero con lo que se confirmó que el sistema eléctrico formado por el secundario del ferrorresonante no estaba puesto a tierra. Centro de Estudios de Energía -all

EJEMPLO 2 Consideremos ahora el caso de un sistema derivado separadamente formado por un DRIVE y una FEI. El personal de la planta nos informó de pérdida continua de paquetes de información. Suministro de CD con fluctuaciones e interrupciones. Suministro de CA sin fluctuaciones y sin interrupciones. Voltaje entre líneas senoidal, valor rms casi constante. Pérdida de paquetes de información Voltaje entre cualesquiera de las líneas y tierra con forma de onda errática y valor rms inestable. Desaparece la pérdida de Sistema derivado separadamente => Unión de una de las líneas a tierra paquetes de información Centro de Estudios de Energía -all

Electrodos aislados Centro de Estudios de Energía -all

Electrodos aislados, NOM y Esmeralda • 250 -86 prohíbe emplear los conductores de bajada o los electrodos del sistema de pararrayos en lugar de los electrodos artificiales de la sección 250 -83. • 250 -86 indica que esta prohibición no significa que los electrodos de distintos sistemas no se deban unir. La nota dos indica que la unión de los electrodos de los distintos sistemas limitará las diferencias de potencial entre los electrodos y los alambrados asociados. • 250 -71(b), corresponde a los detalles de la unión del sistema de tierras de alimentación eléctrica con los otros sistemas de tierra (pararrayos, cable, comunicaciones y teléfono). • La sección 9. 10. 16 del libro esmeralda del IEEE recomienda claramente la unión de los distintos sistemas de electrodos. Centro de Estudios de Energía -all

EJEMPLO 3 • Si bien, el desarrollo de grandes diferencias de voltaje entre gabinetes conectados a electrodos separados cuando se presenta una descarga atmosférica no es común, durante una visita que realizamos a una planta de generación de energía eléctrica en Altamira, Tamaulipas escuchamos el relato siguiente: «Yo estaba en el cuarto de control y vi el resplandor de una descarga atmosférica seguida casi inmediatamente de un gran trueno y chispas en la parte posterior del tablero que contiene el sistema de control de la planta. El daño en las tarjetas electrónicas hizo operar indebidamente una válvula de gas y a los pocos segundos se disparó la planta. Nos llevó algunas horas cambiar las tarjetas para reiniciar la operación de la planta» . Encontramos que el sistema de tierras eléctricas estaba unido al sistema de pararrayos, a la malla de la subestación, a la malla de la cerca, a los conductores de guarda de la línea de 115 k. V, así como a los hilos de retenida. Sin embargo, un grupo de tres electrodos no tenía unión, sino a través del terreno con el resto de los electrodos. Se nos informó que esos electrodos eran propios de los termopares y la instrumentación. Esa fue la causa del arqueo en el tablero de control, la puesta a tierra de la instrumentación estaba asilada del resto de los sistemas puestos a tierra, y así lo hicimos constar en nuestro informe Centro de Estudios de Energía -all

EJEMPLO 4 • Otro error de electrodos aislados, conocido como «tierra de computadoras» , «tierra aislada» , «tierra exclusiva» o «tierra limpia» . • Hay dos violaciones al NEC. La primera es que no hay puesta a tierra de equipo en el gabinete de la carga, la segunda es la puesta a tierra exclusiva y aislada. • Un capacitor se puso en corto circuito, ocasionando que el gabinete de la carga se pusiera al mismo potencial que el del conductor no puesto a tierra. • Se ilustra la manera en que pueden aparecer 60 V entre las manos. Es claro que los electrodos aislados están derrotando las funciones de la puesta a tierra de equipo: a) limitar el voltaje de los materiales metálicos no portadores de corriente en relación a tierra y b) que en caso de falla a tierra, opere la protección de sobrecorriente Tierra remota Centro de Estudios de Energía -all

Unión Neutro Tierra – Error de comunicación Centro de Estudios de Energía -all

Unión neutro tierra - Campos magnéticos intensos Centro de Estudios de Energía -all

Ejemplo 5 • En un edificio corporativo de Nuevo León se presentaba el problema de que la imagen de un proyector de vídeo era inestable. Al apagar un grupo de cargas la imagen se volvía estable. Con las cargas prendidas el campo magnético de 60 Hz alrededor del proyector era de 23 m. G. Al apagar las cargas el campo magnético disminuía a menos de 3 m. G. Encontramos que en varios puntos los hilos puestos a tierra se habían unido a canalizaciones de comunicación, estas canalizaciones están puestas a tierra ya que iban soportadas continuidad eléctrica a la estructura metálica del edificio. Al medir la corriente enlazando todos los conductores eléctricos dentro de la canalización medimos 18 A. De manera tal que concluimos que estos 18 A en lugar de retornar por los neutros (conductores puestos a tierra) retornaban por otros ductos metálicos y esa corriente originaba campos magnéticos intensos. Centro de Estudios de Energía -all

El tomacorrientes Índice - puesta a tierra de equipos. Cordial - puesto a tierra Pulgar - no puesto a tierra. (Verde, blanco y colorado la bandera del soldado Centro de Estudios de Energía -all

Probador de tomacorrientes y probador de impedancia de puesta a tierra Centro de Estudios de Energía -all

EJEMPLO 6 • ¿Qué error de alambrado encuentra? • SOLUCIÓN: El alambrado de las terminales de puesta a tierra de equipos y puesto a tierra de equipos del tomacorrientes está intercambiado. Centro de Estudios de Energía -all

Transformador de aislamiento • DE ACUERDO con el Libro esmeralda, un transformador de aislamiento es uno que cuenta con devanados primario (entrada) y secundario (salida) separados. • Un autotransformador no posee devanados separados, por lo tanto, no es un transformador de aislamiento. • La relación de transformación puede ser cualquiera (208 / 208, 480 / 208), no es necesario que sea unitaria. • Un transformador de aislamiento apropiado para equipo electrónico sensible debe contar con al menos un blindaje electrostático (blindaje Faraday) para disminuir la intercapacitancia entre los devanados. • Un transformador de aislamiento con blindaje Faraday reduce el ruido de modo común; sin embargo, no reduce el ruido de modo diferencial Centro de Estudios de Energía -all

Ruido de modo común Centro de Estudios de Energía -all

VOLTAJE DE NEUTRO A TIERRA LA CORRIENTE de retorno por el neutro da lugar a un voltaje de neutro a tierra. Donde ZN es la impedancia del conductor puesto a tierra, en W I es la corriente por el conductor puesto a tierra, en A Vng es el voltaje de neutro a tierra, en voltios. Centro de Estudios de Energía -all

Voltaje neutro a tierra con carga trifásica balanceada • Sistema trifásico balanceado con cargas lineales => No hay corriente por neutro y Vng = 0. • Sistema trifásico balanceado con cargas lineales y armónicas triplen => In y Vng no son 0. Centro de Estudios de Energía -all

EJEMPLO 7 • • • Instalación trifásica en el SITE de un banco. Pérdida de comunicación entre un equipo llamado TIMEPLEX y el conmutador. Alto contenido de tercera armónica en las corrientes de línea => Corriente alta por el neutro. Transformador de aislamiento => disminuye Zn => disminuye Vng In Centro de Estudios de Energía -all

Aislamiento Galvánico - Monofásico Centro de Estudios de Energía -all

Aislamiento Galvánico - Trifásico (ITM: interruptor termomagnético) Secundario transformador estrella aterrizada ITM Zf delta Y aterrizada ITM fase a Zf fase b Zf fase c In Ic Ib Ia Sistema local de electrodos Centro de Estudios de Energía -all

• Con respecto a la instalación del transformador de aislamiento de la figura, se cometieron cuatro errores de alambrado, identifíquelos. SOLUCIÓN: a) En la alimentación del primario del transformador falta el conductor de puesta a tierra de equipos; b) El blindaje no está puesto a tierra; c) Falta el puente de unión principal en el transformador de aislamiento; d) La alimentación a la carga carece del conductor de puesta a tierra de equipos. EJEMPLO 8 Centro de Estudios de Energía -all

• SECCIÓN 250 -26 del NEC: puesta a tierra de sistemas derivados separadamente, la sección (c) indica que el electrodo local debe estar lo más cerca posible a la unión N-G y de preferencia en la misma área. Conductor del electrodo Tubería metálica de agua El electrodo local debe ser: 1. (1) la porción disponible o accesible más cercana de la estructura metálica del edificio, (2) la porción más cercana de tubería metálica de agua efectivamente puesta a tierra o (3) otros electrodos como los de la sección 250 -81 ó los de la 250 -83 cuando (1) y (2) no estén disponibles. Error de alambrado encontrado frecuentemente: un transformador de aislamiento en los pisos superiores del cuyo sistema de electrodos está en el sótano del edificio. Impedancia del conductor del electrodo Centro de Estudios de Energía -all

Unión del conductor del electrodo con canalización metálica • Cuando un conductor del electrodo de puesta a tierra vaya dentro de una canalización, caja o gabinete metálico, debe unirse al contenedor metálico en ambos extremos, sección 250 -71 (a) (3) de la NOM. • El material magnético alrededor del conductor aumenta la densidad del campo magnético alrededor del conductor lo que aumenta su impedancia, i. e, el material magnético funciona como un núcleo. Al unir el conductor con la tubería metálica que lo contiene ésta pasa de ser un núcleo a ser un conductor, ayudando así a la función del conductor mismo. Centro de Estudios de Energía -all

Puesta a tierra de equipos normal Transformador y equipo de desconexión principal j Tablero Tubo conduit aterrizado N N G G Equipo de cómputo j N G Tomacorrientes Sistema de electrodos Centro de Estudios de Energía -all

Puesta a tierra aislada Centro de Estudios de Energía -all

EJEMPLO 9 • Se está alambrando un receptáculo de tierra aislada cuya caja es metálica y la canalización es plástica. ¿Cuántos conductores deben llegar al receptáculo? Enumérelos con sus respectivos nombres. • SOLUCIÓN: Cuatro conductores: 1. No puesto a tierra. 2. Puesto a tierra. 3. Tierra aislada y 4. Tierra. Puesta a tierra de equipos aislada No puesto a tierra Puesto a tierra Si no se lleva puesta a tierra de equipos. ¿Qué pasaría si el vivo toca accidentalmente la tapa o la caja metálica? Centro de Estudios de Energía -all

Tierra aislada sin receptáculo Centro de Estudios de Energía -all

EJEMPLO 10. • En una instalación se propone colocar un SOLUCIÓN: electrodo aislado (como en la Figura) Se está confundiendo el concepto de puesta a para alimentar una fotocopiadora y un tierra de equipos aislada y el error de grupo de computadoras y quien lo alambrado de electrodos aislados. La puesta propone le llama a esto tierra aislada. a tierra de equipos aislada va sólidamente ¿Es correcto? Proporcione una breve unida a la barra de tierras del equipo de explicación. desconexión principal, y en caso de falla a tierra dentro del equipo electrónico susceptible realizaría satisfactoriamente su función de limitar el voltaje del gabinete respecto a tierra y ayudaría a que la protección de sobrecarga opere rápidamente Centro de Estudios de Energía -all

Estructura de referencia de señal LA ESTRUCTURA de referencia de señal es un sistema de trayectorias conductivas entre equipos interconectados que reduce los voltajes de ruido inducido (de modo común) a niveles que minimizan la operación inadecuada de equipo electrónico. Las configuraciones más comunes son rejillas y planos Centro de Estudios de Energía -all

Sin retorno metálico Si la subestación es alimentada por una línea aérea, sin hilo de guarda, es importante tener una resistencia a tierra baja, ya que toda la corriente de falla a tierra tiene que retornar por el terreno, ocasionando una elevación del potencial de tierra dado por Rg If Centro de Estudios de Energía -all

Con retorno metálico Si la subestación es alimentada por una línea aérea con hilos de guarda, con un hilo neutro o se alimenta con cable subterráneo y ambos extremos del blindaje están puestos a tierra, entonces la subestación cuenta con retorno metálico y la corriente de falla a tierra se divide, la mayor parte se va por el retorno metálico y el resto se va por el terreno, la corriente por el sistema de electrodos es menor que la corriente de falla y la elevación de potencial del terreno es menor Centro de Estudios de Energía -all