¿Las innumerables reglas sobre la puesta a tierra parecen a veces demasiado difíciles de manejar? ¿Los problemas de implementación de la conexión a tierra a veces le dejan aturdido y confundido, con la solución correcta aparentemente un poco por encima de su cabeza? Si es así, no se sienta solo.
A pesar de la extensa literatura sobre la puesta a tierra, algunos de sus conceptos importantes parecen estar ausentes de la tradición oral de la industria eléctrica y de la práctica habitual – y algunos conceptos erróneos de puesta a tierra parecen estar sólidamente anclados en su lugar. En consecuencia, muchos diseños e instalaciones no son tan fiables o seguros como podrían ser.
Pero puede evitar la confusión si entiende los conceptos que hay detrás de las normas. Con una mejor comprensión, puede tener más confianza en que su sistema de puesta a tierra funcionará como usted pretende.
Volvamos a lo básico. Lo primero que hay que entender es que la corriente de falla a tierra -como toda la electricidad- busca regresar a su fuente de energía. Este principio es lo que hace que los circuitos eléctricos funcionen en primer lugar. ¿Cuál es el origen de la corriente de defecto a tierra? No se origina en la tierra, sino en el transformador de la compañía eléctrica.
La Ley de Kirchoff establece que la corriente fluye en proporción inversa a la impedancia de los caminos que se le presentan. Por lo tanto, las impedancias relativas de los distintos caminos determinan cómo la corriente de falla regresa a su fuente.
La impedancia del camino entre el electrodo de puesta a tierra y la fuente es casi siempre significativamente mayor que la impedancia del camino a través del conductor de puesta a tierra.
Si no está seguro de esto en su instalación, mida la impedancia de un cable de cobre desde el electrodo hasta la fuente y compárela con la impedancia a través de la tierra.
Esta diferencia en la impedancia significa que sólo una cantidad mínima de corriente de falla fluye a través del electrodo de puesta a tierra. La falla típicamente viaja a lo largo de la tierra del equipo (conductores y sistemas de canalización metálica), a través de la unión neutro-tierra, y de vuelta a la fuente a través del conductor conectado a tierra (neutro). Es la alta corriente de falla a través del camino de baja impedancia lo que hace que un dispositivo de sobrecorriente se dispare – no la cantidad insignificante de corriente que fluye a través de la tierra a través de una varilla de tierra (Fig. 1).
Si ese es el caso, ¿cuál es la función del electrodo de tierra? Aunque no lo crea, tiene varias, entre ellas las siguientes:
-
Limitar las tensiones impuestas por los rayos, las sobretensiones o el contacto accidental con líneas de mayor tensión.
-
Estabilizar la tensión a tierra durante el funcionamiento normal, ayudando a mantener la tensión dentro de unos límites predecibles.
-
Asistir a la compañía eléctrica en la eliminación de sus propias faltas, convirtiéndose básicamente en parte del sistema de puesta a tierra multipunto de la compañía.
-
Proporcionar un camino a tierra para la disipación de la estática.
Espacio entre las barras de tierra. Supongamos que usted conduce la primera varilla de tierra para un sistema. Si tiene una resistencia a tierra de 25 ohmios o más, la norma 250.56 del NEC de 2005 le exige que coloque una segunda varilla. Pero muchos contratistas no se molestan en medir la resistencia de tierra. Simplemente planean colocar dos varillas porque al hacerlo cumplirán los requisitos de la sección 250.56, independientemente de la resistencia a tierra real. Por lo tanto, las instalaciones de dos varillas son comunes, pero ¿son necesariamente correctas?
El Código requiere que las varillas estén separadas por lo menos 6 pies. Sin embargo, este espacio es un mínimo – y está lejos de ser ideal. Cuando se utiliza la típica varilla de tierra de 8 o 10 pies, se obtienen los mejores resultados espaciando las varillas al menos 16 o 20 pies, respectivamente. Esto es mucho más grande que el espacio mínimo de 6 pies del Código.
Las varillas de tierra separadas por menos de dos longitudes de varilla interferirán entre sí porque sus áreas de resistencia efectiva se superpondrán (Fig. 2a arriba). Como referencia, consulte la norma IEEE-142 y el libro de Soares sobre puesta a tierra. El solapamiento aumenta la resistencia neta de cada varilla, haciendo que el sistema de electrodos de puesta a tierra sea menos eficaz que si las varillas estuvieran más separadas (Fig. 2b anterior).
Puente de unión principal. El puente de unión principal es el enlace entre el neutro y las barras de tierra del equipo dentro del servicio. Esta conexión vital permite que la corriente de falla a tierra regrese a la fuente. Sin el puente de conexión principal, la avería tendría que viajar a través de la tierra de alta impedancia en lugar del cobre de baja impedancia. Esta ruta de alta impedancia probablemente limitaría la corriente y evitaría que los disyuntores se dispararan, o al menos impediría que se dispararan lo suficientemente pronto como para evitar daños al equipo.
Dimensione el puente de conexión principal según la Tabla 250.66. Mucha gente asume que esta tabla indica que el tamaño máximo del puente de conexión principal es 3/0 AWG, pero ese es otro error común. El puente de interconexión debe tener al menos el 12,5% del área equivalente de los conductores de fase. Si se están ejecutando 11 conjuntos de conductores de 500 kcmil (un servicio de 4.000 A, por ejemplo), el puente de unión principal debería ser de 700 kcmil como mínimo, no de 3/0 AWG.
Este problema es menos preocupante con los puentes de unión para los sistemas derivados secundarios, como los transformadores y los generadores, ya que las corrientes de fallo suelen ser mucho más bajas en esos sistemas.
Diseño de los conductores de puesta a tierra del equipo. Los diseñadores suelen utilizar la tabla 250.122 para dimensionar los conductores de puesta a tierra de los equipos. En la mayoría de los casos, el tamaño será adecuado, especialmente para circuitos derivados pequeños. Pero cuando la corriente de falla disponible es alta – digamos 100,000A – y cuando un disyuntor aguas arriba está configurado para retrasar su disparo por varios ciclos, usted debe dimensionar los conductores de puesta a tierra con más cuidado.
Los conductos metálicos, que típicamente llevan más corriente que los conductores de puesta a tierra del equipo, pueden no estar instalados correctamente o pueden desprenderse con el tiempo. En consecuencia, el conductor de puesta a tierra del equipo puede ser la única vía de retorno a tierra disponible. Los conductores de puesta a tierra de tamaño insuficiente pueden fundirse durante una falla antes de cumplir su propósito de proporcionar una ruta de corriente continua de baja impedancia de vuelta a la fuente durante una condición de falla.
Es importante entender que los conductores tienen capacidades de resistencia. La Asociación de Ingenieros de Cables Aislados (Insulated Cable Engineers Association) proporciona una norma llamada Características de Cortocircuito de los Cables Aislados (Short-Circuit Characteristics of Insulated Cable), número P 32-382 (1994). Esta norma dice que para un periodo de 5 segundos, la capacidad de resistencia de un conductor es de 1A por 42,25 milímetros circulares.
Por ejemplo, un conductor 3/0 AWG puede soportar con seguridad 3,972A durante 5 segundos. Por lo tanto, la capacidad de resistencia de I2T durante 5 segundos es de 78.883.920A. Ahora suponga que un disyuntor está configurado para abrirse en 30 ciclos, un retardo que podría ver en el servicio. Puede determinar rápidamente que la corriente máxima que puede soportar un AWG de 3/0 durante 30 ciclos (0,5 segundos) es:
I2T = 78.883.920
I= √ (78.883.920÷T)
I= √ (78.883.920÷0.5)
I=12.560A
Pero si la corriente de defecto disponible es de 65.000A o 100.000A en el extremo de carga del conductor de puesta a tierra, el conductor de puesta a tierra se destruirá rápidamente en caso de defecto, suponiendo que el disyuntor tarde 30 ciclos en abrirse. Debe tener en cuenta la corriente de defecto disponible y prever el tiempo de apertura de los disyuntores, especialmente de los disyuntores principales y de los alimentadores en el cuadro principal. Realice los cálculos de I2T tal y como se ha descrito anteriormente, especialmente cuando la corriente de defecto disponible sea alta. Puede ver que dimensionar correctamente los conductores de puesta a tierra de los equipos no es tan sencillo como aplicar los mínimos del NEC.
Corrientes del sistema de puesta a tierra. La corriente está presente en el sistema de puesta a tierra durante las condiciones normales de funcionamiento, no sólo durante una condición de falla. Esto probablemente explica por qué el Código permite que los sensores de falla a tierra se ajusten hasta 1,200A para evitar disparos molestos.
Además de las fallas a tierra, varias cosas pueden producir corriente en el sistema de puesta a tierra, incluyendo las siguientes:
-
Corrientes inducidas de los cables adyacentes que transportan corriente.
-
Corrientes inducidas por los motores (especialmente los monofásicos).
-
Acoplamiento capacitivo entre los cables de fase y neutro a los conductores de tierra. Este fenómeno es conocido por causar molestos disparos de GFCI en circuitos largos.
-
Descarga electrostática de equipos.
Bucles de tierra. Se pueden formar bucles de tierra a través de la interacción de la puesta a tierra de la energía y el cableado de baja tensión. El cableado de baja tensión a menudo contiene un conductor de tierra de señal que puede unir esencialmente las tierras de señal internas entre diferentes piezas de equipo electrónico. Si también existe un enlace interno entre la tierra de alimentación y la tierra de señal dentro del equipo electrónico, la corriente puede fluir a través de este bucle. Aunque los cables apantallados de baja tensión suelen estar conectados a tierra sólo en un extremo para evitar los bucles de tierra, un cable de tierra de señal separado dentro del apantallamiento puede crear un enlace.
Para ver un ejemplo de lo que suele ocurrir, piense en una red informática y en los apantallamientos de dispositivos como impresoras, routers y estaciones de trabajo. Si está conectando diferentes piezas de equipo, está interconectando dispositivos que tienen un potencial entre sus respectivos pines de tierra (Fig. 3). Si tiene un circuito completo a través de los cables de señal, tiene un bucle de tierra. Las corrientes de tierra fluirán debido a este potencial, y crearán ruido eléctrico que puede interferir con el funcionamiento del sistema. Los campos electromagnéticos que pasan a través de este bucle también podrían provocar el flujo de corriente.
Para minimizar este fenómeno, debe limitar el potencial entre estos diversos puntos de conexión a tierra. La TIA/EIA J-STD-607-A recomienda un potencial máximo de 1V entre los puntos de conexión a tierra. Curiosamente, también recomienda un gran bucle de tierra para la puesta a tierra de edificios de varios pisos (Fig. 4). En las redes informáticas, la limitación del potencial entre los puntos de conexión a tierra tiene claramente prioridad sobre la preocupación por los bucles de circulación de las corrientes de tierra. Sin embargo, los equipos audiovisuales son mucho más sensibles.
Cualquier edificio tiene cientos, si no miles de cables de baja tensión, y cada uno puede formar su propio bucle de tierra en combinación con el sistema de puesta a tierra de la energía. Desgraciadamente, en un edificio estándar no hay forma práctica de garantizar un plano de tierra uniforme en todo el edificio.
Lo mejor que se puede hacer es conectar a tierra adecuadamente las piezas clave del equipo. Esto significa proporcionar barras de tierra en todas las salas de telecomunicaciones y de audio/vídeo, y asegurarse de que todos los equipos dentro de estas salas estén conectados a estas barras de tierra. Esto garantiza un plano de tierra bastante uniforme dentro de la sala, al menos en la gama de frecuencias más bajas.
Un remedio comúnmente prescrito para este tipo de problemas de conexión a tierra es proporcionar planos de tierra equipotenciales en una amplia gama de frecuencias. Los métodos incluyen el uso de mallas de tierra dentro de las losas y las rejillas de referencia de la señal debajo de los pisos elevados. Dado el coste de estas medidas, estos métodos suelen reservarse para las instalaciones de comunicaciones más sensibles, no para las típicas instalaciones comerciales o institucionales. Sin embargo, un plano de tierra equipotencial es sólo un paso. No es una cura para los bucles de tierra, porque las corrientes siempre pueden ser inducidas por los campos electromagnéticos que pasan a través de los conductores.
No se deje abrumar por la gran cantidad de minucias relacionadas con la toma de tierra. Conocer algunos conceptos básicos de la puesta a tierra debería ayudarle a resolver las cosas. Una buena conexión a tierra es clave para el éxito operativo de cualquier instalación, así que cuanto más informados estén sus diseños, más fiable será la instalación y menos problemas de calidad de la energía surgirán.
Janof, P.E., es asociado y director de proyectos senior en Sparling, una empresa de consultoría de ingeniería eléctrica y tecnología con oficinas en Seattle y Portland.