TIERRAS_3_calidad+llamas

Centro de Estudios de Energía -all

Libro de texto

Tierras eléctricas, Armando Llamas, Jorge de los Reyes, Jesús Baez, Innovación Editorial Lagares, Monterrey, 2005.


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


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.


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


120 V

Mediatensión

Baja tensión

Medidor (kWh) Equipo de desconexión principal

conductor no puesto a tierra

conductor puesto a tierra

conductor de puesta a tierra de equipos

conductor del electrodo

electrodo

120 V

Baja tensión

Medidor (kWh) Equipo de desconexión principal



conductor de puesta a tierra de equipos


ITESM

ITESM

ACEE

120 V

120 V

delta Y

Transformador y equipo de

desconexión principal

N

G

N

G

Motor

inducción

M

M

M

M

M OL

STOPSTART

Canalización Centro de control de motores(1) ≤ 150 V líneas a tierra (2) Se usa el punto central de la Y

para alimentar cargas de línea a neutro

120 V

127 V

277 V

240 V240 V

120 V

240 V(3) Se usa el punto central de una fase de la delta

(4) Llega un desnudo en acometida


Excepciones 250-5EXCEPCIÓN 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.


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.


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.

Voltaje constante

120 V

0 V

Conductor de puesta a tierra de equipos

Conductor puesto a tierra

No aterrizado

No aterrizado

No aterrizado

L1

L2

120 V

G

440 V

Voltaje constante

120 V

0 V


Conductor puesto a tierra

No aterrizado

No aterrizado

No aterrizado

L1

L2

120 V

G

440 V


Mediciones en secundario de ferrorresonante no puesto a tierra

112.5 V+

-Voltaje

constante

No aterrizado

No aterrizado

L1

L2

120 V

0 V

G

60 V

52.5 V

+

-+-

112.5 V+

-Voltaje

constante

No aterrizado

No aterrizado

L1

L2

120 V

0 V

G

60 V

52.5 V

+

-+-

Las mediciones sugerían que el secundario estaba sin puesta a tierra. Para

comprobarlo, se conectó una lámpara incandescente entre L2 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.


EJEMPLO 2Consideremos 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.

DRIVE UPS

Equiposde

comunicación

y control

Reactor

DRIVEUPS

Equiposde

comunicación

y control

Reactor

DRIVE UPS

TransformadorEquiposde

comunicación

y control

Reactor

DRIVEUPS

TransformadorEquiposde

comunicación

y control

Reactor

A) Alambrado original

B) Sistema eléctrico puesto a tierra

120 VCD

+

-

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.

Sistema derivado separadamente => Unión de una de las líneas a tierra

Desaparece la pérdida de

paquetes de información


Electrodos aislados

1 225 000 V25 000 V 0 V

Tierra Profunda

Cables de comunicación

Potencial en A y B es diferente que en CPotencial en A y B es diferente que en C

Disipación de laenergía del rayoDisipación de laenergía del rayo

5

A

B

C

10

1 2

Tierra remota


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.


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 kV, 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


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

ITM de 15 A Aislante

Tubo conduit

Tierra «sucia» de

acometida5 W

5 W Tierra «limpia»,«exclusiva» y «aislada»

Filtro capacitivoen corto

Carga

Tierra remota


Unión Neutro Tierra – Error de comunicación

computadoras

+-+-

h

g

i

n

h

g

R com

+-v = 0

n

+-

v = 0+-

v = 0

a) Alambrado correcto

+-+-

i

R com

+-v = 0

+-

v = R com i3

i1

i2

i3

b) Unión incorrecta neutro - tierra

i3

El voltaje en el extremo de envío es cero

El voltaje en el extremo de recepción no es cero


Unión neutro tierra - Campos magnéticos intensos

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 = 0ienc = 0 ienc = i2ienc = i2

i2

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


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 mG. Al apagar las cargas el campo magnético disminuía a menos de 3 mG. 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 con 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.


El tomacorrientes

conductor de puesta a

tierra de equipos


conductor vivo

Índice - puesta a tierra de equipos.

Cordial - puesto a tierra Pulgar - no puesto a tierra.

(Verde, blanco y colorado la bandera

del soldado


Probador de tomacorrientes y probador de impedancia de puesta a tierra

Probador de tomacorrientes

Probador de impedancia de puesta a tierra de equipos


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.

G

G

CFE


Núcleo

Devanado de menor tensión

Blindaje

Devanado de mayor tensión

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


Ruido de modo común

fase a

neutro

tierravng

+

-

vag

+

-

ITESM

fase a

neutro

tierravng

+

-

vag

+

-

ITESM

voltaje (V)

-180

-90

0

90

180

0.0000 0.0083

tiempo (s)

vag

vng

voltaje (V)

-180

-90

0

90

180

0.0000 0.0083

tiempo (s)

vag

vng

-200

-100

0

100

200

0 0.004167 0.008333 0.0125

tiempo (s)

voltaje (V)

van

fase a

neutro

tierra

-

+ITESM

van

-200

-100

0

100

200

0 0.004167 0.008333 0.0125

tiempo (s)

voltaje (V)

van

fase a

neutro

tierra

-

+ITESM

van

fase a

neutro

tierra

-

+ITESM

van

A) Modo común B) Modo diferencial


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.

IZV Nng


Secundario del transformador

Impedancia del conductor no puesto a tierraITM ITM

ITM: interruptor termomagnético

carga

monofásican

g

Vng

I

I

Impedancia del conductor puesto a tierra, ZnUnión neutro -tierra



Impedancia del conductor no puesto a tierraITM ITM


carga

monofásican

g

Vng

I

I

Impedancia del conductor puesto a tierra, ZnUnión neutro -tierra


Voltaje neutro a tierra con carga trifásica balanceada

ITM

(ITM: interruptor termomagnético)

fase a

fase b

fase c

secundario transformadorestrella aterrizada ITM

Zf

Zf

Zf

ZnIa

Ic

Ib

Vng

In

• 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.


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

ITM


fase a

fase b

fase c

secundario transformadorestrella aterrizada ITM

Zf

Zf

Zf

ZnIa

Ic

Ib

Vng

In

In

A rms Ia 37 Ib 45 Ic 47 In 69

A rms Ia 37 Ib 45 Ic 47 In 69

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016

tiempo (s)

voltaje n-g (V)

-120

-60

0

60

120

in (A)

1 ciclo de 60 Hz = 16.66 ms

nNng IZV


Aislamiento Galvánico - Monofásico

nNgn IZV 1

n2

fase

neutro

tierra

secundario del

transformador

Zf

Zn

ITM ITM


carga

monofásican1

g

Vn1,g

I

I

g

Vn2,g

tierra local

02 gnV


Aislamiento Galvánico - Trifásico

ITM


fase a

fase b

fase c

Secundario transformadorestrella aterrizada ITM Zf

Zf

Zf

Ic

Ia

Ib

delta Y aterrizada

Sistema local de electrodos

In


EJEMPLO 8

• 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.

No puesto a tierra

Puesto a tierra


ITM ITM

carga

monofásica

Electrodo local

Electrodo

Gabinete

NúcleoBlindaje


Impedancia del conductor del electrodo

• 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.

El electrodo local debe ser:

(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.

Tubería metálica de agua

Conductor del electrodo

Tubería metálica de agua

Conductor del electrodo


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.

Canalización metálica Conductor del electrodo de puesta a tierra

mal

bien

Puente de unión


Puesta a tierra de equipos normal

N

G

N

G

Transformador y equipo de desconexión principal

G

N

jj

Tomacorrientes

Equipo de cómputo

Sistema de electrodos

Tablero

Tubo conduit aterrizado

Tubo conduit aterrizado


Puesta a tierra aislada

GN

G

N

IG

N

Tomacorrientes

Canalización

Equipo de cómputo

TableroTransformador y equipo de desconexión principal

Canalización


G

IG

G

IGIG


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

Puesta a tierra de equipos

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?


Tierra aislada sin receptáculo

GN

G

N

TableroTransformador y equipo de desconexión principal

Canalizaciónmetálica


G

IG

G

IGIG

Canalización no metálica

aprobada y listada

Canalizaciónmetálica

Equipo electrónico sensible


EJEMPLO 10.• En una instalación se propone colocar

un electrodo aislado (como en la Figura) para alimentar una fotocopiadora y un grupo de computadoras y quien lo propone le llama a esto tierra aislada. ¿Es correcto? Proporcione una breve explicación.

SOLUCIÓN: Se está confundiendo el concepto de puesta a

tierra de equipos aislada y el error de alambrado de electrodos aislados. La puesta a tierra de equipos aislada va sólidamente unida a la barra de tierras del equipo de 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

ITM de 15 A Aislante

Tubo conduit

Tierra «sucia» de

acometida5 W

5 W Tierra «limpia»,«exclusiva» y «aislada»

Filtro capacitivoen corto

Carga


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

Cable # 2 o mayor con uniones a los postes de la periferia

Dos conductores tipo cinta de distinta longitud de cada equipo hacia los postes

Unión de tuberías metálicas a la rejilla

La rejilla no reemplaza a la puesta a tierra de equipos

A la tubería de agua o estructura metálica del edificio más cercana


Sin retorno metálico

Rg

If = Ig

Tierra remota

Ig

GPR = Rg Ig; Ig = If

a) Sin retorno metálico b) Con retorno metálico

Rg

If = Ig+Ie

Tierra remota

Ig

GPR = Rg Ig; Ig < If

IeSi 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


Con retorno metálico

Rg

If = Ig

Tierra remota

Ig

GPR = Rg Ig; Ig = If

a) Sin retorno metálico b) Con retorno metálico

Rg

If = Ig+Ie

Tierra remota

Ig

GPR = Rg Ig; Ig < If

Ie

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

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