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Seguridad y puesta a tierra


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SEGURIDAD Y PUESTA A TIERRA


RESUMEN


Hoy en día existe mucha subjetividad para resolver los problemas y para hacer un buen diseño eléctrico en cualquier instalación. Uno de estos puntos tiene que ver con la seguridad de las personas y equipos.


ABSTRACT
Today many subjectivity exists to solve the problems and to do a good electrical design in any building. One of these points is about the safety of persons and equipments

Sandra Milena Perez Londoño

Profesor Universidad Tecnológica de Pereira.

e-mail: saperez@utp.edu.co


Jorge Humberto Sanz Alzate

Profesor Asistente Universidad Tecnologica de Pereira.

e-mail: jsanz@utp.edu.co



  1. INTRODUCCIÓN.

Hoy en día el tema de las puestas a tierra y sus implicaciones sigue siendo uno de los más apasionantes cuando de diseñar sistemas eléctricos se refiere.


Como el tema puede sugerir planteamiento muy subjetivos es indiscutible que sea la normatividad la que permite controlar los desbordes creativos de los diseñadores y garantizar la protección efectiva de las personas y los equipos.


  1. PUESTA A TIERRA PARA LA SEGURIDAD:

Mucho se ha escrito sobre las puestas a tierra para los sistemas de energía en general. Una puesta a tierra apropiada es esencial para el seguro y satisfactorio funcionamiento de un sistema de energía. Hay en principio tres requisitos para la puesta a tierra de un sistema:



  1. Proporcionar una trayectoria de baja-impedancia para el retorno de la corriente de falla, de modo que un dispositivo de la protección de sobre-corriente pueda actuar rápidamente para despejarla del circuito.

  2. Mantener una diferencia potencial baja entre las partes metálicas expuestas y así evitar peligros al personal.

  3. Control de sobre-tensiones.

Una discusión muy comprensiva de estas consideraciones, aplicable a cualquier instalación, se puede encontrar en: IEEE std 141-1993, IEEE std 142-1991, y IEEE std 446-1995.


Se plantea en muchas ocasiones la relación entre los daños con los problemas de la puesta a tierra o la relación de diferencias de voltaje con daños. Este paradigma esta amarrado a la forma subjetiva de cómo se resuelven los errores que presentan en cada instalación.
Revisemos algunos conceptos eléctricos que nos permitirá establecer la importancia que tiene el principio de la equipotencialidad como parte fundamental de la seguridad de las personas y los equipos.
3. REFERENCIA PARA UN BUEN FUNCIONAMIENTO:
Este aspecto de poner a tierra está menos definido que la práctica de la puesta a tierra por seguridad. El equipo y los sistemas electrónicos varían enormemente con respecto al ruido y a eventos de carácter transitorio. En una fábrica típica o en una instalación comercial algunas configuraciones de los sistemas de procesos electrónicos son muy difíciles de aterrizar adecuadamente.
Tres escenarios particulares de las instalaciones de un sistema permiten tomar experiencias sobre las puestas a tierra con respecto a trastornos relacionado con referencias, generación de daños y funcionamiento de procesos indeseados. Cuando estos escenarios difíciles de las instalaciones se encuentran entonces pensamos en prestar especial atención sobre los detalles de las puesta a tierra que se requieren. Un resumen de estos casos se puede ver en la tabla 1.
ESCENARIO 1: Un sistema de proceso electrónico con los componentes por separado localizados y accionados interconectados por el cable de los datos o de control.
Aquí el problema son los diversos componentes del sistema (Por ejemplo, una computadora, una red de datos, un control del proceso industrial, o un sistema de seguridad de




Escenarios difíciles de la instalación

Condición eléctrica molesta


Síntomas típicos del equipo electrónicos

¿Qué y donde medir?

1. Componentes del mismo sistema localizados y accionados por separado.

Diferentes niveles de señales referidas o corrientes inducidas sobre los cables de datos.

Errores temporales o crónicos de los datos, fallas de funcionamiento o bloqueos, transferencias equivocadas, más reintentos, o daños de I/O.

Mida el nivel voltaje para 60 Hz entre los chasis de los equipos.

2. Múltiples conexiones externas a los puertos de una sola aplicación o sistema.

Voltaje y corrientes transitorios en datos y conexiones de los puertos de la señal.

Funcionamiento intermitente de la UPS, señal corrupta, o daños de los circuitos expuestos de i/o y del puerto de comunicación.

Monitoreo del voltaje transitorio en los equipos terminales.

3. Un solo equipo o un sistema compartiendo una trayectoria de puesta a tierra con otro.

Corrientes errantes y ruido en modo común en el conductor de puesta a tierra o en los cables de datos.

Errores aleatorios de datos o transferencia errónea, con más intensidad en sistemas análogos que en digitales.

Compruebe para si hay corrientes errantes de 1a 2 A en el conductor de puesta a tierra.

Tabla No.1: Síntomas y medidas del equipo en los difíciles escenarios de las instalaciones eléctricas.




PC-conectado) interconectados a través de los cables de transmisión de datos y además son alimentados de los circuitos del sistema eléctrico del edificio. Este arreglo es a menudo vulnerable a las diferencias de voltaje de las referencia a tierra entre los componentes o a corrientes inducidas en las líneas de datos, los cuales ocurren por la conexión a tierra de los cables de datos. Por ejemplo, un cable de la interfaz Rs-232 de la impresora, o el blindaje del cable coaxil de la red que conecta distintos componentes de un sistema de procesamiento referido a tierra que experimenta diferencias de voltaje. El escenario del problema de la referencia a tierra en cuestión tiene dos factores críticos para observar. Primero, ocurre donde un componente, tal como la impresora, es referida a tierra por otro componente del sistema, tal como un PC, vía línea de datos. En segundo lugar, los componentes electrónicos en este escenario son alimentados por diversos circuitos ramificados o desde diversos puntos del sistema de energía, tal como se muestra la figura 1.

Figura No.1 CPU e interfaces periféricas con varios trayectorias de conductores y circuitos referidos a tierra.

El cable de los datos puede tener uno o ambos extremos del cablea referidos a tierra a través el chasis del equipo. Con ambos extremos puestos a tierra, las corrientes transitorias o constantes fluirán en el acoplamiento. Con solamente un extremo conectado, aparecerán voltajes constantes o transitorios en el terminal abierto.


Esta condiciones causa problemas en la transferencia de datos cuando ocurren transitorios tales como aumento sorpresivo de corriente o voltaje en los conductores puestos a tierra. Los síntomas típicos del equipo con este problema son, fallos en los datos temporalmente, retardo en la transferencia de datos, el múltiplo reenvío y permanente desconexión de la UPS, o en el caso peor, daños de I/O. Sin embargo, la sensibilidad varía entre los modelos del equipo y los diseños electrónicos debido a diferencias en los umbrales de tolerancia, dependencia de la estable referencia a tierra, y del grado de aislamiento de los datos.
Los puntos neurálgicos que generan problemas de referencia a tierra en sistemas de procesos electrónicos son:


  1. Utilización de cables largos para los datos, por ejemplo RS-232 más de 8 m, y coaxil y par trenzado con longitudes mayores a 30 m.




  1. b) Largas distancias a una referencia común de suministro de energía, por ejemplo, cuando cualquier de los componentes (servidor, impresoras, o PC) están en un circuitos diferentes, diverso tablero de erergía, o en el caso peor, una entrada diversa del servicio de energía.




  1. c) La exposición a las corrientes transitorias en conducciones cercanas (se presentan corrientes transitorias cuando la pantalla del cable está conectado en los extremos y voltaje voltajes transitorios cuando la pantalla del cable está conectado en un solo extremo).


ESCENARIO 2: Un solo componente electrónico tiene conexiones a más de un sistema para uso general externo. En este arreglo el apuro es que un componente electrónico (tal como un módem o una PC) está referido a más que un sistema externo, y se puede experimentar voltaje y corrientes transitorios entre estos sistemas. Las conexiones externas típicas del sistema incluyen energía eléctrica, el teléfono, la televisión por cable, y las redes local de área. Estos sistemas para uso general separados son difíciles de mantener en el mismo nivel de voltaje, especialmente si se ponen a tierra en diversas localizaciones y entran en el área del edificio o del equipo . Esta condición invita a la exposición de voltajes transitorios y a causa problemas que puede trastornar o dañar los equipos.
Los síntomas típicos son el retardo en la transferencia de datos, recomprobación, suspensión de actividades y daños generalizados de los componentes expuestos de I/O. Las variables dominantes que determinarán la probabilidad de los problemas transitorios de la sobretensión son:


  1. Elementos independientes ubicados a grandes distancias que hacen parte de diversos sistemas entran en el edificio o a el área en el edificio donde se localiza el sistema de proceso.




  1. Cuan efectivamente los diferentes sistemas referidos a tierra estando unidos conjuntamente.

La figura No. 2 muestra el ejemplo típico de la exposición a los voltajes transitorios para una máquina de fax conectada con el sistema de teléfono. Si la línea suministro de energía aumenta momentáneamente golpeando a la maquina de fax o el nivel de referencia del teléfono pueden aparecer un sobrevoltaje pleno entre el interfaz de la línea telefónica y el cable eléctrico del fax. Interferencia en la señal o daños de la tarjeta de conexión se puede esperar en este escenario.




Rayo

Maquina de fax

Diferencia de voltaje

Entrada de

Servicio de

energía

Daño

Corriente

Figura No.2 Impacto de fuentes de voltaje transitorio en el sistema de teléfono o sobre una máquina de fax.


Un aislamiento que pone a tierra el circuito (IG) no va a ayudar en este escenario porque no hace nada para igualar los voltajes entre las diversas interfaces de sistema y el equipo. De hecho es probable que un IG exagera este problema eliminando enlaces de tierra locales. Los problemas de trastornos o de daños por los transitorios pueden ocurrir cuando un módem de transmisión de datos está conectado con los sistemas locales del teléfono y de energía.


El conector de entrada del teléfono al módem se convierte en un solo punto para los dos sistemas de uso general que vienen juntos. Este interfaz puede experimentar una gran diferencia de voltaje entre los dos sistemas para uso general cuando una corriente transitoria se induce en uno de los sistemas para uso general y no en el otro. Tales diferencias de voltajes transitorias pueden ser igualadas refiriendo todos los conductores externos a un mismo sistema de puesta a tierra.
ESCENARIO 3: Un sistema de procesamiento electrónico con suministro de energía, datos, o cables de control expuestos a corrientes espureas . En este escenario el problema ocurre cuando diversos componentes del sistema de proceso (por ejemplo, una computadora, una impresora, una red de datos, un servidor, etc.) están separados físicamente, pero interconectados por varios cables de datos, y puede ser alimentado por diversos circuitos del tablero del mismo sistema de la energía eléctrica. Esta configuración puede ser vulnerable a corriente errantes en las líneas de energía o de datos, que entran adhiriéndose a las líneas de energía en dirección a las puestas a tierra o en cables de datos referidos a tierra y en las pantallas de los cable. Por ejemplo, un cable de interfaz de la impresora RS-232 o los protectores de los cables del coaxial de la red cuando se ponen a tierra en ambos extremos.
También los conductores que se ponen a tierra de los circuitos de energía que se unen a los gabinetes metálicos los cuales están unidos a los electrodos de puesta a tierra del edificio. Aquí la unión puede promover el problema de las sobrecorrientes.
Corrientes hacia tierra y ruido eléctrico de modo común entre los componentes es la causa de diferencias de voltaje en el sistema o de EMI (interferencia electromagnética) en los datos de comunicaciones. Las corrientes que se drenan a tierra tienen más probabilidad de que ocurran cuando circuitos ramificados alimentan una variedad de equipo electrónico y otros equipos, y el tipo y las condiciones del control pequeño o grande de los equipos que comparte los circuitos. Los síntomas quese pueden observar cuando existen estas condiciones son trastornos electrónicos aparentemente aleatorios en el del proceso de transferencia o trastornos en los datos, particularmente en digital más que en el análogo.
LAS CORRIENTES Y LOS VOLTAJES DISPERSAS SE RELACIONARON CON LAS TÉCNICAS DE PUESTA A TIERRA AISLADAS. Para reconocer la presencia de corrientes dispersas a tierra y de voltajes relacionados, se debe buscar en los síntomas. Las corrientes dispersas a tierra exceden generalmente el nivel de los mA a la salida del conductor de puesta a tierra de la carga del equipo vario conectado. Cuando fluyen estas corrientes, la impedancia normal del cableado conduce a los voltajes dispersos. Las condiciones que causan corrientes perdidas son a veces transitorios (lo más contrario a lo continuo). Por ejemplo, las corrientes dispersas a tierra vienen de una descarga electrostática a un gabinete metálico, o las averías en el cableado o el equipo, y al acoplamiento capacitivo de circuitos próximos cuando se energiza el equipo o de una sobrecorriente en el área.
Sin embargo, el cableado en los circuitos eléctricos del edificio o el equipo conectado en el interior son probablemente la causa más común de corrientes dispersa a tierra.
Errores típicos del cableado que permiten corrientes dispersas a tierra: Errores de cableado por ejemplo union del neutro y el conductor de puesta a tierra en subtableros, la inversión del neutro y tierra en tomacorrientes, o el cableado en el equipo son una causa común de corrientes. Un conductor de neutro que inadvertidamente se pone a tierra despues de la desconexión principal, permitirá que las corrientes dispersas entren en el sistema de puesta a tierra tal como lo muestra la grafica No. 3.


Conexión impropia del neutro puesto a tierra

Figura No. 3 Error tipico de cableado en circuitos ramificados

El error 2 describe otra fuente de corriente dispersa y es un error del cableado al invertir el neutro y la tierra en un enchufe eléctrico. A veces los errores de cableado o rotura de componentes ocurren dentro del equipo individual, tal como una conexión inadvertida del neutro a tierra. Esta conexión, que puede causar corrientes dispersas a tierra, se aprecia en la figura No. 4.

Error No 2 Inversión del neutro y la tierra.

Carga

Enchufe

Figura No. 4 Errores típicos de cableado.


Como se ha explicado en los puntos anteriores en el sistema se puede presentar algunas condiciones que pueden alterar parcial el funcionamiento de un sistema, en particular el digital, se debe prestar atención al cableado de los circuitos puesto que son la causa más común de perturbaciones o daños en una instalación.
Finalmente ilustrarán algunos conceptos básicos que nos permitirán establecer unas pautas sencillas en el tema de los sistemas de puesta a tierra.


  1. CONCEPTOS BÁSICOS PARA TENER EN CUENTA AL SOLUCIONAR PROBLEMAS O DISEÑAR SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA.

A continuación se presentan los principales conceptos que deben homologarse entre los interlocutores técnicos para garantizar que cualquier análisis se salga de los bizantinismos propios de muchas de las discusiones que suscita el tema de las tierras.




    1. EQUIPOTENCIALIDAD.

Concepto cuya aplicación pretende que todos los objetos tiendan a ponerse al mismo potencial eléctrico en un momento dado, por ejemplo, cuando cae una descarga atmosférica.


El principio sostiene que los problemas, daños y accidentes se producen cuando dos objetos (principalmente metálicos) presentan una diferencia de potencial tan grande, que supera la rigidez dieléctrica del medio que los separa (aire, aislante sintético, etc.) produciendo una chispa o flameo.
Sostiene que más que controlar la magnitud de los potenciales de los objetos, se debe buscar minimizar la diferencia de tensión entre ellos, equipotencializándolos.
4.2 ACOPLE CAPACITIVO.
Relación de capacitancias parásitas entre conductores a tierra. Las sobretensiones se puede transferir vía acople capacitivo como ilustra la figura No. 5

Figura No. 5: Acople capacitivo.




    1. ACOPLE INDUCTIVO.

Un flujo magnético variable inducirá en un conductor una tensión (ley de Faraday) o una corriente (ley de Lenz) si el conductor opera como una espira abierta o como una espira cerrada respectivamente.



Figura No.6 Acople inductivo.



4.4 ACOPLE RESISTIVO
Es conocido también como acople galvánico y ocurre cuando una corriente inyectada en un punto produce una tensión en otro punto por efecto de divisores resistivos en su camino. En el caso de las puestas a tierra éste se da debido a que el suelo es un conductor imperfecto como ilustra la Figura No.7

Figura No. 7 Acople resistivo


    1. SOBRETENSIÓN EN MODO DIFERENCIAL.

Se refiere a la diferencia de tensión inusual que ocurre entre dos cables, cuya diferencia de tensión normal de servicio es producida por la red y es conocida. Por ejemplo, las sobretensiones que pueden ocasionarse entre los dos conductores de un par telefónico, o las sobretensiones entre dos conductores de fase de una línea de transmisión, o la tensión entre fase y neutro de una red secundaria.


Figura No. 8 Sobretensión en modo diferencial.




    1. SOBRETENSIÓN EN MODO COMÚN.

Se refiere a sobretensiones de varios conductores respecto a la tierra de referencia. Es producida por fenómenos que afectan indistintamente a los varios cables involucrados en ella. Por ejemplo, las sobretensiones producidas cuando una descarga atmosférica indirecta (es decir que no golpea directamente el cable), induce tensiones en los cables de pares telefónicos vía acople capacitivo, o las sobretensiones que se inducen en las fases sanas cuando una descarga atmosférica golpea el cable de guarda de una línea de transmisión, vía acople capacitivo, o las sobretensiones que se inducen en un par telefónico cuando ocurre una falla eléctrica desbalanceada de una línea de potencia en paralelo con la misma, vía acople inductivo, o la sobretensión que se produce en los cables de una red secundaria cuando circula la corriente de un rayo por una bajante del sistema de apantallamiento que comparta tramos en paralelo con la red, vía acople inductivo (fenómeno también conocido como lazos inductivos).

Las sobretensiones en modo común son las más difíciles de controlar porque implican muy seguramente diferencias de tensión respecto a la referencia, de muchos conductores. Su control, no obstante, se logra aplicando el concepto de equipotencialidad.

Figura No. 9 Sobretensión en modo común.




    1. DESARROLLO DEL CONCEPTO DE EQUIPOTENCIALIDAD.

Cuando no es posible controlar la elevación de potenciales a través de la aislamiento de los equipos, la única alternativa posible para evitar que ocurran disrupciones del aislamiento es buscar que mediante la unificación (explosores, varistores, etc.) se garantice que entre conductores aislados no concepto es aplicable tanto para líneas de alta tensión como para equipos tan delicados como de comunicaciones.



5. CONCLUSIONES

Se han presentado los conceptos básicos para analizar el comportamiento de las puestas a tierra durante descargas distintos escenarios y su influencia en el control de las sobretensiones.


Se presentaron adicionalmente recomendaciones sobre el manejo práctico de esos conceptos.

Se han presentado una serie de definiciones y principios de diseño con el fin de homologar conceptos sobre las funciones que cumplen los sistemas de puesta a tierra.


Se discutieron los aspectos para identificar las diversas funciones de las puestas a tierra y se generaron criterios para establecer cuando se pueden asignar varias de estas funciones a un sistema centralizado y cómo saber si se deben separar estas tierras.
Queda no obstante un gran campo de discusión, abierto y apasionante que no permite generalizar todos los casos.


  1. Bibliografía.

Funciones básicas de los sistemas de puesta a tierra, Jaime Blandon, Seminario de actualización, Aciem, Santafé de Bogotá-2002.


IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment, IEEE Std 1100-1999.
A comparison of IEC479-1 and IEEE Std 80 on grounding safety criteria, C.H. LEE and A.P.SAKIS MELIOPOULOS.




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