• Sistemas eléctricos conectados a tierra o sin conexión a tierra

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La puesta a tierra y el apantallado de los sistemas eléctricos son de importancia clave para los ingenieros eléctricos. Comprender las funciones básicas entre los sistemas eléctricos conectados a tierra y los que no están conectados a tierra es necesario para hacer coincidir la topología de conexión a tierra apropiada al funcionamiento del sistema eléctrico deseado.

La selección de la topología adecuada de conexión a tierra para un sistema de distribución eléctrica es importante para garantizar tanto la salud como la seguridad de los ocupantes de las instalaciones, además de para contar con un funcionamiento del equipamiento eléctrico fiable y seguro. Conforme con la NFPA 70: Código Eléctrico Nacional (NEC), artículo 250.4(A)(1), el propósito de los sistemas eléctricos con puesta a tierra es el de “limitar la tensión impuesta por la iluminación, las sobretensiones o el contacto no intencionado con líneas de alta tensión que estabilizarán la tensión a tierra durante el funcionamiento normal”. El artículo 250 describe las topologías de conexión a tierra disponibles entre los sistemas de puesta a tierra y sin conexión a tierra y la forma en la que funcionan.

El propósito de conectar a tierra el sistema eléctrico tal como se indica en la norma NFPA 70 del Código Eléctrico Nacional (NEC) es “limitar la tensión impuesta por la iluminación, las sobretensiones o el contacto no intencionado con líneas de alta tensión que estabilizarán la tensión a tierra durante el funcionamiento normal”. Para alcanzar estos objetivos, el NEC proporciona, en el artículo 250, el marco para la selección de las metodologías de puesta a tierra. El artículo describe las topologías de conexión a tierra disponibles entre los sistemas de puesta a tierra y sin conexión a tierra y la forma en la que funcionan.

La importancia de proporcionar un circuito sólidamente puesto a tierra por seguridad fue reconocida en las primeras ediciones del NEC. Según el manual "IAEA Soares Book on Grounding", el comité del NEC de 1913, hace 100 años, exigió que "los secundarios de los transformadores de los sistemas de distribución deben estar conectados a tierra, siempre y cuando la diferencia máxima de potencial entre el punto de puesta a tierra y cualquier otro punto del circuito no exceda 150 V y puede conectarse a tierra cuando la diferencia máxima de potencial entre el punto de puesta a tierra y cualquier otro punto del circuito exceda los 150 V". El comité del Código reconoció que cuando se produce un fallo en un circuito conectado a tierra, el conductor de puesta a tierra mantiene la tensión del sistema con una tensión de fuente estable en lugar de ascender hasta un potencial más alto. Esto protege a las personas de choques eléctricos potencialmente letales si tocan una línea, equipo o bastidor defectuosos,

Sistemas sólidamente conectados a tierra
Actualmente, como los sistemas conectados a tierra ofrecen una mayor estabilidad de la tensión, la mayoría de los sistemas descritos en el artículo 250.20 del NEC requieren un sistema conectado a tierra, ya se trate de un sistema sólidamente puesto a tierra o de un sistema con impedancia de tierra. Históricamente, el sistema más común es el sistema sólidamente conectado a tierra (véase la Figura 1).

El NEC permite hasta 25 ohmios de resistencia de tierra, reconociendo las diferentes resistividades del suelo que se encuentran en EE.UU. Sin embargo, cuanto menor es la resistencia de tierra (o mayor la conductividad del suelo), mejor funcionará el sistema de detección de defecto a tierra. Típicamente, 5 ohmios es una buena base de diseño para edificios comerciales. Para algunos equipos de obtención de imágenes médicas, puede necesitarse una impedancia de tierra baja. En un sistema sólidamente conectado a tierra, el sistema de defecto a tierra se comporta mejor con resistencias de electrodo a tierra menores. El artículo 250.2 del NEC establece que un trayecto de intensidad de defecto a tierra eficaz consiste en "un camino construido deliberadamente, de baja impedancia y conductor de la electricidad diseñado para conducir una intensidad eléctrica en condiciones de defecto a tierra". Por lo tanto, en un sistema sólidamente conectado a tierra, es la intención del diseño proporcionar una referencia de tierra para abrir un circuito tan rápidamente como sea posible para aislar el fallo por una intensidad de corriente elevada. Esto evita que el fallo escale y también protege de posibles fallos a los motores conectados y al equipamiento (véase la Figura 2).

Tipos de fallos
Los sistemas eléctricos se deben diseñar previendo varios tipos de fallos. El peor de los casos, pero menos común, es un fallo franco trifásico con baja, o ninguna, impedancia del circuito en el camino del fallo. El equipamiento suele dimensionarse y anotarse con una intensidad nominal de defecto en función de los cálculos de fallo para estas situaciones. Si la impedancia es baja en un circuito conectado a tierra, pueden producirse elevadas intensidades de defecto, con riesgo de generarse arco eléctrico en un sistema sólidamente conectado a tierra. El elevado nivel de intensidad de defecto se considera una de las principales desventajas de un sistema sólidamente conectado a tierra. Por ejemplo, en un defecto a tierra en una línea trifásica, la tensión se mantiene constante y, debido a que la impedancia del sistema se minimiza intencionadamente, el resultado directo de la aplicación de la ley de Ohm predice una elevada intensidad de defecto. Uno de los beneficios es la elevada intensidad de defecto que provocará que los limitadores contra sobreintensidad, dispuestos aguas arriba, detecten y actúen con rapidez para aislar los fallos según regresan estos al origen por los caminos diseñados para ofrecer la menor resistencia. Corresponde al diseñador proporcionar un camino adecuado para guiar, de nuevo, el fallo correctamente hasta el origen con estrategias tales como los acoplamientos de compresión en las canalizaciones, soldada al acero y pruebas periódicas del sistema de electrodos de tierra.

Debido a la importancia de que esta intensidad de corriente sea lo suficientemente alta como para que los dispositivos de sobreintensidad disparen, el NEC requiere que la unión de neutro a tierra se realice dentro del equipo de la acometida. Esto es esencial para el esquema de detección de defecto a tierra funcione correctamente. Si la conexión a tierra se realiza fuera del equipamiento, la reactancia del circuito aumentará. La impedancia total del circuito se expresa como (R+Xj), siendo Xj la reactancia del sistema. Cuando la impedancia total del sistema es demasiado alta, el limitador contra sobreintensidad puede que no funcione como se desea. Realizar la puesta a tierra en un único lugar de la fuente también ofrece ciertas ventajas para el sistema eléctrico general, pues se evitan las corrientes circulantes.

Aunque un diseñador debe tener en cuenta el peor de los casos, el fallo trifásico es bastante raro. De hecho, los fallos de línea a tierra representan entre el 90 y el 95 % de todos los eventos de fallos registrados en entornos industriales. Estos fallos pueden manifestarse en forma de fallos de arco, que pueden causar intensidades de corriente de niveles más bajos que los valores nominales de los dispositivos de protección contra sobreintensidades. Esto se considera un serio inconveniente del sistema sólidamente conectado a tierra debido a que estos fallos pueden pasar desapercibidos hasta que se daña al equipo. La solución de diseño es la que introduce en el circuito la detección de defectos a tierra. Durante la década de 1970, la NEC reconoció este problema y añadió el texto necesario para requerir que las líneas de alimentación de 1000 A o superiores en sistemas conectados en estrella 480 Y/277 V puestos a tierra sólidamente estuvieran equipados con detectores de defecto a tierra. La detección de defecto a tierra se puede complicar, sobre todo, si se utilizan múltiples niveles dentro de un sistema. De manera similar a la coordinación del interruptor automático, se requiere coordinar las curvas tiempo-intensidad para la protección de la sobreintensidad del defecto a tierra para evitar que los disyuntores aguas arriba se disparen antes que el interruptor de defecto a tierra más cercano al fallo. De lo contrario, se desconectarán más sistemas de los deseados.

Los transformadores modernos de baja tensión están diseñados y construidos con primarios conectados en triángulo y con secundarios conectados en estrella. En la mayoría de aplicaciones comerciales e industriales, la tensión normalizada es 480 Y / 277 V en el secundario. Las primeras versiones del NEC

no requerían de sistemas que fueran puestos a tierra en el lado secundario para tensiones superiores a 150 V. La conexión a tierra de los secundarios de estos transformadores de servicio por motivos de seguridad y para minimizar el riesgo de los equipos no tuvo relevancia hasta mediados de la década de 1930. Una solución rentable fue la de conectar a tierra uno de los extremos del secundario conectado en triángulo. Por lo tanto, muchas estructuras históricas todavía funcionan con transformadores de servicio triángulo-triángulo en los que una esquina del transformador se ha conectado a tierra para proporcionar 120 V / 240 V dentro de la instalación.

El objetivo principal de un sistema sólidamente conectado a tierra es abrir el circuito lo más rápidamente posible para limitar los daños y los riesgos para las personas. Para grandes plantas de procesos e industriales, la detención de un proceso puede ser igualmente peligroso. Antes de mediados de la década de 1930, el concepto de un sistema sin conexión a tierra aún se veía con buenos ojos debido a los beneficios de la continuidad del servicio que proporcionaba el sistema sin conexión a tierra. Un fallo en un sistema sin conexión a tierra no hace que se dispare el interruptor automático de la fuente. De hecho, el sistema se mantendrá en funcionamiento hasta que el operador siga la pista del fallo o hasta que un segundo fallo cause el defecto a tierra de un componente importante del sistema eléctrico, durante el cual circularán elevadas intensidades de corriente (véase la Figura 3). Mientras que en teoría este sistema no está conectado a tierra, en realidad, las tres fases están acopladas capacitivamente a tierra (véase la Figura 4).

En lugar de una conexión a tierra real, es la capacitancia del sistema la que ayuda a estabilizar la tensión durante las condiciones normales de funcionamiento. Sin embargo, durante un fallo —típicamente de línea a tierra (a través de la capacitancia del sistema)—, no hay una conexión directa a tierra y no se produce una elevada intensidad de corriente que, de otra manera, haría disparar el interruptor automático para aislar el fallo. 

En su lugar, hace que la tensión de fase aumente 1,73 veces la tensión de las otras fases sin disparar el interruptor (de "Protección contra defectos a tierra en sistemas sin conexión a tierra y sistemas puestos a tierra de alta resistencia", Post Glover). Si no se especificaron los sistemas de cableado ni los sistemas de motores para soportar estos niveles de tensión superiores, los sistemas eléctricos quedarían sometidos a un estrés indeseable que, con el tiempo, causaría estragos. Por otra parte, si se produce un fallo intermitente, como un fallo de arco, que puede producirse y repetirse, se podría originar una sobretensión, hasta 6 veces superior que la tensión de línea típica, que podría dañar gravemente el aislamiento de los cables y los equipos sensibles. Según van envejeciendo los equipos, se van haciendo más vulnerables a estos ataques hasta que, al final, fallan y lo hacen a tierra a través de las carcasas del equipo o, lo que es peor, a través de una persona. Como los interruptores automáticos no se disparan, los fallos en los sistemas que no están puestos a tierra son difíciles de seguir y, a menudo, pasan sin ser detectados, hasta que se produce un daño importante en los equipos al producirse un segundo fallo. Debido a estos problemas, en la década de 1930, algunas plantas industriales comenzaron a conectar a tierra sus infraestructuras eléctricas.

Sistemas sin conexión a tierra, con resistencia de tierra
Aunque el NEC exige que la mayoría de los sistemas eléctricos se conecten a tierra, en algunos casos, es justo lo contrario, exige que no tengan conexión a tierra. Solo hay cinco sistemas/subsistemas eléctricos diferentes indicados en el artículo 250.22 de NEC, en el que el comité ha determinado los peligros de la conexión a tierra para destacar los beneficios, en cuanto a la seguridad, de la conexión a tierra. Uno de estos tipos de sistemas es un sistema de energía aislado, que es un sistema de distribución modular de tamaño limitado, por lo general, para ser empleado en los quirófanos de hospitales. En el caso de estas zonas, se requiere que el sistema no se ponga a tierra, ya que se considera inaceptable sufrir un fallo de suministro durante una operación quirúrgica. Un sistema típico aislado consiste en un transformador de aislamiento de 10 kVA monofásico en el que el secundario permanece sin conectar a tierra. El blindaje electrostático del transformador está conectado a tierra y desvía el ruido de alta frecuencia al suelo con eficacia. El equipamiento de 120 V conectado a estos sistemas seguirá funcionando después de producirse el primer fallo, al igual que en un sistema sin conexión a tierra. Estos sistemas de energía son especialmente adecuados para utilizar en salas de operaciones donde puede haber agua o líquidos presentes y donde lo normal sería que se requiriese instalar una toma de corriente con diferencial (exigido por el NEC en zonas húmedas). La instalación de un panel de alimentación aislado cuenta con alarmas locales, así que si se produce un defecto a tierra, se notificará al personal, pero no se interrumpirá ningún procedimiento en marcha.

Durante la década de 1970, se añadió texto al NEC para requerir sensores de disparo de defecto a tierra en las líneas de alimentación de 1000 A y más en los sistemas eléctricos puestos a tierra de 480 V. La necesidad de la continuidad del servicio eléctrico para el sector de los procesos industriales impulsó la necesidad de un sistema híbrido para combinar los beneficios de estabilidad y seguridad del sistema de puesta a tierra con el beneficio del servicio continuo del sistema sin conexión a tierra. Durante este tiempo, los sistemas puestos a tierra mediante una resistencia comenzaron a ganar impulso. La continuidad del servicio hace que este tipo de sistema de puesta a tierra sea muy atractivo actualmente para la industria tradicional de la pulpa y el papel, así como para los Data Centers de alta tecnología. Un sistema puesto a tierra mediante una impedancia incorpora los beneficios tanto de los sistemas puestos a tierra como los de los que no están puestos a tierra. El Libro Verde del IEEE identifica las siguientes ventajas:

  • Reduce los incendios y los efectos de la fusión en los aparatos eléctricos defectuosos
  • Reduce el estrés mecánico en los circuitos y cables defectuosos
  • Reduce los riesgos de choque eléctrico causados por las intensidades parásitas de defecto a tierra en el camino de la tierra
  • Reduce el riesgo de explosión o descarga de arco eléctrico
  • Reduce la caída de tensión momentánea de la línea causada por un defecto y su posterior reparación
  • Controla las sobretensiones transitorias y evita la desconexión del circuito con el primer defecto a tierra.

Los sistemas puestos a tierra con impedancia incluyen las configuraciones de alta resistencia (HRG) y las de baja resistencia (LRG). En la Figura 5 se muestra, para un transformador conectado en estrella, cómo se empareja una resistencia conocida al 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 con el secundario conectado en triángulo, se debe crear un neutro artificial utilizando un transformador de zigzag.

En un sistema de HRG conectado en estrella, aquellos fallos intermitentes, que causaban tantos problemas en los sistemas sin conexión a tierra, serán ahora eliminados por la resistencia de tierra del sistema del neutro porque su inserción limita la intensidad de corriente total a tierra.

La continuidad del sistema se mantiene porque, aunque se produzcan alarmas de defecto a tierra, los dispositivos de sobreintensidad no actúan. Esta intensidad de corriente en un sistema de baja tensión (480 V a 600 V) se limitará normalmente a 10 A de manera que se podrá localizar el fallo y, posteriormente, reparar, sin exponer al personal a niveles de fallo peligrosos (véase la Figura 6). Mientras que los sistemas HRG son una buena opción para los grandes Data Centers, existen ciertos peligros, como la falta de aplicación de los limitadores contra sobretensiones (deben estar clasificados para los circuitos con neutro sin conexión a tierra), y el SAI debe conectarse a tierra mediante un método compatible con sus cableados de entrada y de salida. Hacer un seguimiento de los fallos resulta algo difícil y se debe realizar sobre los circuitos bajo tensión utilizando pulsadores de circuitos.

Los sistemas de puesta a tierra LRG se utilizan normalmente para aplicaciones de media tensión de 15 kV donde la corriente de carga puede ser demasiado alta para que coincida con un sistema HRG. Los sistemas LRG tienden a funcionar de una manera más similar al sistema puesto sólidamente a tierra que al sistema

no puesto a tierra. En este caso, la resistencia añadida limita las intensidades de defecto entre 200 y 400 A, que es demasiado alta para permitir la continuidad del servicio durante un fallo. Por lo tanto, el equipo de detección de defecto a tierra debe estar configurado para disparar lo más rápidamente posible. La ventaja de controlar la corriente es que se puede lograr una mayor selectividad entre los limitadores contra sobreintensidad en el sistema. Es interesante observar que a través del ciclo del código de 1999, los sistemas puestos a tierra con impedancia/resistencia se encontraban en el mismo artículo que los sistemas sin puesta a tierra, debido a sus similitudes de funcionamiento.

Conclusión
El NEC proporciona el marco normativo para la aplicación de sistemas con y sin puesta a tierra. La Tabla 1 resume las ventajas y desventajas de estos diferentes sistemas de puesta a tierra, según está organizado por el NEC. En una instalación con una necesidad predominante para cargas de línea a tierra, el NEC requiere claramente un sistema sólidamente conectado a tierra. El sistema puesto sólidamente a tierra es el más simple y el más barato de poner en práctica. Normalmente se encuentra en los edificios comerciales actuales. Por el contrario, si una instalación solamente cuenta con cargas trifásicas y la terminación de sus procesos internos se presenta como un gran riesgo, entonces lo más oportuno es un sistema que no esté puesto a tierra. Sin embargo, hay un término medio para el que se requiere la continuidad del servicio, por lo que se requiere contar con las ventajas de aislar y localizar un fallo como medida adicional de seguridad. En estas situaciones, se podría considerar un sistema HRG que, gracias a su utilización en plantas de procesos industriales, así como en grandes diseños de Data Centers, cuenta con un historial probado. El sistema HRG ofrece un sistema de puesta a tierra de un solo punto para la instalación. Sin embargo, si se produce un defecto a tierra, no causará ningún tiempo de inactividad. 

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El artículo 250 del código NEC se ha mantenido prácticamente sin cambios durante los últimos años, con unas modificaciones puntuales entre las décadas de 1940 y 1970. Gran parte del mérito hay que dárselo a los miembros originales del comité del código por comprender los fundamentos y beneficios, en cuanto a la seguridad, de la conexión a tierra de los sistemas. Aunque la puesta a tierra suele verse como algo misterioso, el cumplimiento del código protegerá a los ocupantes y a los equipos de las instalaciones.

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

Sharpe es ingeniera eléctrica en Affiliated Engineers Inc. Cuenta con más de 20 años de experiencia en diseño de proyectos para educación superior, instalaciones de investigación y proyectos de misión crítica. Sus proyectos más recientes han sido para el Centro de Investigaciones Oncológicas Fred Hutchinson y para la Universidad de Washington, en la School of Medicine Research Facility, ambas en el barrio South Lake Union de Seattle.

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