Guía de diseño de sistemas de puesta a tierra en plantas industriales (4ª PARTE)

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Equipamiento de puesta a tierra

El equipo de puesta a tierra pertenece al sistema de conductores (conductor de tierra y buses de tierra) con los cuales todas las estructuras metálicas que no transportan corriente en una planta industrial están interconectadas y puestas a tierra. Los propósitos principales de la puesta a tierra del equipo son los siguientes:

1. Para mantener diferencia de potencial baja entre elementos metálicos, minimizando la posibilidad de choques eléctricos al personal en el área de conexión.
2. Para contribuir al rendimiento de dispositivos de protección superior del sistema eléctrico, seguridad de personal y equipo; y
3.  Para evitar incendio de materiales volátiles y la ignición de gases en atmósfera combustible proporcionando un sistema de conductor eléctrico para el flujo de las corrientes de fallo a tierra y descargas de rayos y estática para esencialmente eliminar arcos y otras tensiones térmicas en el equipo eléctrico.

Todos los conductos metálicos, bandejas de cable, cajas de unión, carcasas de equipos, carcasas de generadores y motores, etc., deben estar interconectadas por un sistema de conductor de puesta a tierra que satisfaga los requerimientos de seguridad precedentes.

Prácticas previas para efectuar la puesta a tierra de los equipos dentro de una instalación industrial primero establecían un bucle de tierra externo, o una serie de bucles interconectados, alrededor del edificio y luego conectaban cada dispositivo eléctrico a ese bucle. Si bien tales prácticas cumplen las normas de conexión, no siempre proporcionan una trayectoria de baja impedancia. Esto ocurre debido a que la trayectoria del fallo de tierra no es usualmente adyacente al conductor de fase, y eso introduce reactancia adicional en la trayectoria de tierra.

En orden de asegurar una baja impedancia para el conductor de tierra, es importante que el conductor de tierra circule adyacente a los cables de potencia a los que se asocian; es decir, en el mismo conductor o el mismo cable multi-conductor que los conductores de potencia.

Un conductor de tierra del equipo debe ser enrutado dentro de los conductores de fase del circuito suministrando a un circuito. Esto alcanzará la trayectoria de baja impedancia deseada para una operación seguro. Ya que la tierra tiene un valor de resistencia desconocido, no se usará como trayectoria de retorno.

Puesta a tierra

Cuando ocurre un fallo de aislamiento a lo largo de un circuito de potencia eléctrica, causando una conexión eléctrica entre el conductor energizado y una carcasa metálica, existe una tendencia para elevar la carcasa al mismo potencial eléctrico que existe en el conductor de potencia. A menos que tales carcasas se pongan a tierra, de forma efectiva, una descomposición del aislamiento causará un potencial peligroso que aparezca en la carcasa creando un riesgo eléctrico para alguien que lo toque. La energía liberada durante el fallo de un arco puede ser suficiente para causar un fuego o explosión o serias quemaduras al personal. El ajuste apropiado de los relés de tierra y la puesta a tierra intencionada de todas las envolventes metálicas de forma que asegure la presencia de una capacidad de corriente de fallo a tierra adecuada y un valor bajo de la impedancia del circuito de fallo a tierra interrumpirá el caudal de una corriente de fallo a tierra y así minimizará los riesgos de choque eléctrico e incendio.

La impedancia del circuito de fallo a tierra completo será lo bastante bajo como para asegurar un flujo suficiente de la corriente de fallo para la rápida operación de los dispositivos de protección del circuito más apropiados, y minimizar el potencial de corrientes de tierra perdidas en un sistema de tierra sólidamente puesto a tierra. Para proporcionar una trayectoria de corriente de fallo a tierra de baja impedancia y capacidad adecuada, la sección debe ser bastante grande. Los conductores de puesta a tierra deben proporcionar trayectorias de suficiente capacidad para operar dispositivos de protección cuando un fallo de fase-a-fase o fase-a-tierra ocurre en diferentes localizaciones en un sistema de potencia.

Los requerimientos de economía y operación en las plantas industriales más grandes han dado como resultado un incremento en el número de plantas industriales que operan subestaciones transformadoras conectando la planta industrial con la distribuidora eléctrica. Además de proporcionar a tierra el equipo apropiado a tierra en tal subestación, los potenciales de paso y toque deben mantenerse a un nivel seguro. Una malla de tierra diseñada apropiadamente ha servido tradicionalmente para tales propósitos.

En el pasado se han usado extensamente métodos empíricos para el diseño de la malla de tierra debido al gran número de cálculos requeridos para un análisis riguroso. Los programas informáticos han añadido exactitud y facilitan el diseño. En IEEE Std 80-1986 pueden consultarse los requerimientos de diseño y cálculo detallados del sistema de tierra de las subestaciones.

Sistemas de tierra en equipos electrónicos

Los ordenadores usados en control de procesos, captura de datos, transmisión de datos, etc. Requieren un sistema de tierra para su óptimo rendimiento. Se requiere coordinación con el equipo de acondicionamiento de potencia, circuitos de comunicaciones, requerimientos de puesta a tierra especiales de los circuitos lógicos computerizados y protección contra sobretensiones.

La puesta a tierra de los sistemas computerizados cumple múltiples funciones, tales como la seguridad del personal, para lo cual se requiere una trayectoria de retorno ante el fallo de baja impedancia, y el mantenimiento de una tierra equipotencial de todas las unidades del sistema computerizado.

Conectando las envolventes de un sistema computerizado a un punto común se asegurará que permanezca al mismo potencial. Conectando ese punto a tierra se asegurará que el equipotencial es también potencial de tierra. Estos objetivos se alcanzan cuando las unidades se conectan a una fuente de potencia AC e incluyen un conductor de tierra del equipo de seguridad en cada cable o conducto que transporta energía que viene de una fuente común.

Sin embargo, cuando hay más de una fuente de potencia, cada una con su tierra separada, este sistema creará corrientes de ruido en los sistemas de tierra que están conectadas a las unidades del sistema computerizado. En tales casos, puede utilizarse una red de referencia de la señal. Esta red puede ser una gran lámina de de cobre instalada bajo el computador o una malla de 60 x 60 cm de conductores de cobre colocados en el subsuelo para igualar el voltaje en un amplio rango de frecuencia. Todas estas unidades computerizadas se conectarán a la red además del conductor de tierra del equipo. La red de referencia de la señal es puesta a tierra en el mismo punto de tierra central que las envolventes de los componentes del sistema.

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