Guía de diseño de sistemas de puesta a tierra en plantas industriales (1ª PARTE)

En este nuevo artículo dedicado al uso de la energía eléctrica en plantas industriales nos centramos en identificar y discutir aquellas facetas de la tecnología de puesta a tierra relacionadas con las plantas industriales. Los tópicos que discutimos son los siguientes:

a)      Introducción.
b)      Puesta a tierra del sistema.

c)       Puesta a tierra del equipo.
d)      Puesta a tierra de protección de estática e iluminación.
e)      Conexión a tierra.
f)       Medida de la resistencia de tierra.

Sistema de puesta a tierra

La puesta a tierra del sistema de distribución de energía eléctrica en corriente alterna está relacionada con la naturaleza y localización de la conexión eléctrica intencionada entre los conductores de fase del sistema eléctrico y tierra (tierra). La clasificación común de la tierra encontrada en sistemas de distribución de energía AC en plantas industriales es la siguiente:

a)      Sin puesta a tierra.
b)      Resistencia puesta a tierra.
c)       Reactancia puesta a tierra.
d)      Sólidamente puesta a tierra.

Hay varios métodos más para puesta a tierra de sistemas eléctricos que no los cubrimos tan en detalle como los métodos anteriores. Los siguientes métodos son desviaciones o variaciones de los de arriba:

e)      Esquina del triángulo sólidamente puesto a tierra.
f)       Baja reactancia.
g)      Fase media (sólidamente puesta a tierra) de un triángulo trifásico (comúnmente llamado toma central).

El método de puesta a tierra del sistema eléctrico puede tener un efecto significativo en la magnitud de los voltajes de fase a tierra que deben resistirse bajo las condiciones transitorias y de estado estacionario. En los sistemas eléctricos no puestos a tierra que están característicamente sujetos a severos sobrevoltajes, puede esperarse vida útil reducida del aislamiento y equipo asociado. Los fallos de aislamiento usualmente causan fallos del sistema. En máquinas eléctricas rotatorias y transformadores donde el espacio del aislamiento es limitado, este conflicto entre la tensión de voltaje y la vida útil es particularmente exacto.

Además del control de los sobrevoltajes del sistema, la puesta a tierra del neutro eléctrico del sistema hace posible una protección del fallo a tierra a alta velocidad y sensible basado en la detección de la corriente de tierra. Los sistemas sólidamente puestos a tierra, en la mayoría de los casos, están dispuestos con dispositivos protectores de circuitos que quitarán un circuito de fallo del sistema independientemente del tipo de fallo. Cualquier contacto de fase a tierra desde el sistema puesto sólidamente a tierra esto da como resultado un aislamiento instantáneo del circuito que ha fallado y las cargas asociadas. La experiencia de muchos ingenieros ha sido que puede obtenerse una mayor vida en servicio de los equipos con neutro puesto a tierra respecto a los sistemas de neutro no puesto a tierra. Además, una protección de fallo a tierra orden muy alta con neutro a tierra puede adquirirse por un relé de sobrecorriente de tierra simple y barata. Las calidades protectoras de la protección diferencial de una máquina rotatoria puede ser realzada por la puesta a tierra del sistema de alimentación de energía.

Donde se requiere la continuidad del servicio, en lugares tales como los procesos de operación continua, puede ser utilizado un sistema de tierra de alta resistencia. Con este tipo de sistema de puesta a tierra, la intención es que cualquier contacto entre un conductor de fase y una superficie puesta a tierra no originará la operación del dispositivo de protección de sobrecorriente de fase.

Los sobrevoltajes se minimizan con cualquier tipo de sistema eléctrico puesto a tierra. Con los sistemas de puesta a tierra de alta resistencia, como el sistema sólidamente puesto a tierra, se obtiene una mayor vida en servicio, además de una larga continuidad del servicio.

Sistemas no puestos a tierra

El sistema no puesto tierra es una capacitancia de alta reactancia puesta a tierra como resultado del acoplamiento a tierra de cada conductor energizado. La ventaja de operación, a veces defendida por el sistema no puesto a tierra procede de la habilidad para continuar las operaciones durante un fallo simple de fase a tierra sin que se dispare automáticamente el circuito. Habrá simplemente caudal de una pequeña corriente de carga a tierra. Generalmente se asume que esta práctica introduce riesgos potenciales al aislamiento en aparatos suministrados desde el sistema no puesto a tierra.

Hay opiniones divididas entre los ingenieros sobre el grado de problemas de sobrevoltaje en los sistemas no puestos a tierra (600 V y menos) y la probabilidad de afectar esto a la continuidad del servicio. Muchos ingenieros creen que la localización del fallo se mejora y los fallos de aislamiento se reducen usando algún tipo de sistemas de potencia puesto a tierra. Otros creen que bajo condiciones de operación apropiadas el sistema no puesto a tierra ofrece un grado añadido de poner en peligro la continuidad del servicio por fallos de aislamiento resultantes de un estado estacionario y la probabilidad de sobrevoltajes transitorios.

Cuando hay influencias perturbadoras en el sistema, los potenciales de fase a tierra (incluso en un sistema no puesto a tierra) queda firme en alrededor del 58 % del valor del voltaje de fase a fase. Por la duración de un fallo de tierra una fase simple, los otros dos conductores de fase a través del sistema están sometidos a un sobrevoltaje del 73 %. Es, por lo tanto, extremadamente importante localizar el fallo a tierra apropiadamente y repararlo o quitarlo antes de que las tensiones de voltaje anormales produzcan descomposición del aislamiento en los devanados de la máquina, otros equipos, y circuitos. Debido al acoplamiento de capacitancia a tierra, el sistema no puesto a tierra está sometido a sobrevoltajes peligrosos (cinco veces lo normal o más) como resultado de un fallo de tierra de contacto intermitente (arco a tierra) o alta reactancia inductiva conectada de una fase a tierra o de fase a fase.

La experiencia de operación acumulada indica que, en general los sistemas de distribución de potencia industrial para propósitos generales, los incidentes de sobrevoltaje asociados con la operación no puesta a tierra reducen la vida útil del aislamiento de forma que los fallos de máquinas y circuitos eléctricos ocurren más frecuentemente que en los sistemas de potencia puestos a tierra. La ventaja de un sistema no puesto a tierra es que el sistema no cae inmediatamente ante la ocurrencia de un fallo de fase a tierra. Un sistema de detección adecuado con un programa organizado para quitar fallos de tierra es considerado esencial para la operación del sistema no puesto a tierra. Estas observaciones están limitadas a los sistemas AC.  La operación del sistema de corriente directa no está sujeta a muchos de los riesgos de sobrevoltaje presentes en los sistemas AC. Una consideración final de los sistemas no puestos a tierra es la necesidad de aplicar dispositivos de sobrecorriente basados en la calificación de interrupción de cortocircuitos de polo simple, que pueden ser iguales a o en algunos casos menos que su calificación normal.

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