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Explicación de los sistemas de toma de tierra
Un sistema de toma de tierra (IEC) o de puesta a tierra (IEEE) conecta un sistema de energía eléctrica con la superficie de la tierra, tanto con fines de seguridad como funcionales. Los sistemas de puesta a tierra también afectan a la compatibilidad electromagnética y son necesarios para los sistemas de protección contra el rayo.
Los sistemas de puesta a tierra se dividen en dos categorías: puesta a tierra del sistema y puesta a tierra del equipo.
La puesta a tierra del sistema es la conexión deliberada a tierra de un conductor de fase o neutro para controlar la tensión y los riesgos de tensión (tensiones de contacto o de paso) dentro de los límites de seguridad.
La puesta a tierra de los equipos consiste en interconectar eléctricamente o "unir" las partes conductoras no conductoras de corriente de los equipos entre sí y con la tierra.
Los sistemas de puesta a tierra deben diseñarse cuidadosamente. Hay muchas normas relacionadas con los sistemas de puesta a tierra que el diseñador debe tener en cuenta.
Sistemas de puesta a tierra de baja tensión
Terminología CEI
Terminología IEC de la norma IEC 60364-1 [2].
Primera Carta - Relación del sistema eléctrico con la tierra:
- T = conexión directa de un punto a tierra.
- I = todas las partes activas aisladas de tierra, o un punto conectado a tierra a través de una alta impedancia.
Segunda letra - Relación de las partes conductoras expuestas (PCE) de la instalación con la tierra:
- T = conexión eléctrica directa de las PCE a tierra, independientemente de la puesta a tierra de cualquier punto del sistema eléctrico.
- N = conexión eléctrica directa de las PCE al punto de puesta a tierra de la red eléctrica (en los sistemas de CA, el punto de puesta a tierra de la red eléctrica es normalmente el punto neutro o, si no se dispone de punto neutro, un conductor de línea).
Letra(s) siguiente(s) (si procede) - Disposición de los conductores de neutro y de puesta a tierra de protección:
- S = función de puesta a tierra de protección proporcionada por un conductor separado del conductor neutro o del conductor de línea puesto a tierra (o, en los sistemas de CA, de fase puesto a tierra).
- C = neutro y función de puesta a tierra de protección encapsulados en un único conductor (el conductor PEN).
Sistemas TN
Los sistemas TN, o Tierra-Neutro, son sistemas eléctricos en los que las Partes Conductoras Expuestas (PCE) están conectadas directamente a un punto de la fuente sólidamente conectado a tierra [1]. Los sistemas TN tienen bajas impedancias de bucle de defecto, pero conllevan un mayor riesgo de daños en el neutro (con riesgo incluso de incendio) debido a las mayores corrientes de defecto. Además, es necesario instalar electrodos de tierra a intervalos regulares (conectados a cada conductor del sistema) para evitar problemas de seguridad.
Los sistemas TN pueden clasificarse en varios tipos diferentes, en función de la disposición de los conductores.
TN-S
El TN-S es el primer tipo de configuración TN. Esta configuración de sistema se utiliza normalmente en aplicaciones industriales y comerciales, donde dos hilos diferentes actúan como conductor de protección y conductor neutro [1]. Los sistemas TN-S tienden a ser la opción más segura de las variedades TN debido a la separación de la puesta a tierra de protección y el neutro, y pueden utilizarse incluso con conductores flexibles o conductos más pequeños.
Como puede verse en la figura 1, el sistema TN-S tiene el neutro y la tierra de protección (PE) conectando a tierra, desde el mismo punto, a la ECP utilizando conductores diferentes. Los sistemas TN-S también pueden utilizarse en casos en los que no hay neutro (como con un suministro trifásico en configuración delta), siempre que haya un conductor PE presente.
TN-C
El sistema TN-C es el segundo tipo de configuración TN. A diferencia de la configuración TN-S, la configuración TN-C combina la puesta a tierra de protección y el neutro en un único conductor. Se trata de una configuración típica de los servicios públicos en Norteamérica, pero no es una práctica recomendada para los sistemas de energía industriales y comerciales [1]. Una de las ventajas de utilizar un sistema TN-C es la reducción de costes, debido a la eliminación de un poste de dispositivos y un conductor, pero este compromiso se traduce en una reducción de la seguridad (como un mayor riesgo de incendios o de perturbaciones por interferencias electromagnéticas).
Como puede verse en la figura 2, el sistema TN-C difiere del TN-S en que combina las funciones de tierra de protección y neutro en un único conductor, el conductor de tierra de protección y neutro (PEN).
TN-C-S
El último tipo de sistema TN es el sistema TN-C-S. En Norteamérica, el punto de transición de PEN a PE es el típico de la interfaz entre la empresa eléctrica y el usuario, con inclusión de un electrodo para una conexión intencionada a tierra en la entrada de servicio [1]. Los sistemas TN-C-S combinan las ventajas del sistema TN-C con las del sistema TN-S, pero con rendimientos reducidos (es decir, los sistemas TN-C-S no son tan seguros como los TN-S ni tan baratos como los TN-C).
Figura 3: Esquema de un sistema TN-C-S
Como puede observarse en la figura 3, el sistema TN-C-S combina la función de los sistemas TN-C y TN-S, en el que algunas PCE se conectarán a tierra a través del conductor PEN, y otras se conectarán a un conductor PE y a un conductor neutro, ambos desdoblados del conductor PEN inicial.
Sistema TT
Los sistemas TT, o Terre-Terre, son sistemas eléctricos en los que las cargas alimentadas están conectadas a electrodos de tierra independientes de los electrodos de tierra conectados a la fuente [1]. Los sistemas TT no suelen requerir una supervisión continua (a excepción de los dispositivos de corriente residual conectados a los PCE). Uno de los déficits del sistema TT es la alta impedancia de bucle, que provoca altas tensiones de paso y corrientes de fuga, lo que significa que se requieren DDR para el uso de este sistema.
Figura 4: Diagrama de un sistema TT
De la figura 4 se desprende que la puesta a tierra del sistema se produce en dos puntos diferentes: El primero es el punto donde se conecta el conductor neutro, y el segundo es el punto donde se conecta el conductor PE. Estos dos puntos de conexión a tierra son independientes entre sí.
Sistema informático
Los sistemas IT, o de aislamiento a tierra, son sistemas eléctricos en los que la fuente está aislada de la tierra o conectada a ella con una impedancia increíblemente alta. Para evitar posibles daños por corrientes de fallo, los sistemas IT pueden conectarse a tierra tanto individual como colectivamente [1]. Los sistemas IT ofrecen la mejor continuidad de servicio durante el funcionamiento (es decir, los fallos de aislamiento se detectan y eliminan muy fácilmente sin grandes interrupciones), pero también requieren un alto grado de mantenimiento. Además, la impedancia del bucle de defecto a tierra es muy elevada debido al alto nivel de aislamiento de la red, y los sistemas IT corren el riesgo de tener dos corrientes de defecto simultáneas en la red.
Figura 5: Esquema de un sistema informático con PCE conectadas a tierra individualmente
Figura 6: Diagrama de un sistema informático con PCE conectadas a tierra colectivamente
Tanto la Figura 5 como la Figura 6 muestran ejemplos de un sistema IT. Obsérvese que en ambos ejemplos, el sistema está conectado a tierra a través de una impedancia increíblemente alta (es decir, el circuito abierto), y el conductor PE está conectado a tierra por separado. La figura 5 muestra un caso en el que las PCE tienen conductores PE independientes, mientras que la figura 6 muestra un caso en el que las PCE tienen un conductor PE común.
Sistemas de CC
Los sistemas de CC, o corriente continua, son un tipo de sistema de puesta a tierra diseñado para corriente continua en lugar de CA, o corriente alterna. Suelen conectarse a tierra a través de un polo positivo y otro negativo mediante un sistema de dos hilos [2]. Los sistemas mencionados tienen un equivalente en corriente continua que difiere funcionalmente de sus homólogos en corriente alterna.
Comparación de los tipos de puesta a tierra de baja tensión
A continuación se resumen las ventajas e inconvenientes de los métodos de puesta a tierra de baja tensión:
Sistemas de puesta a tierra de alta tensión
Los sistemas de puesta a tierra de alta tensión (por encima de 1 kV) tienen tres requisitos fundamentales:
- Seguridad de las personas.
El sistema de puesta a tierra no supondrá ningún riesgo irrazonable para ninguna persona, incluida la población en general.
El principal peligro para una persona asociado a los sistemas de puesta a tierra es la corriente que fluye a través del corazón y que provoca fibrilación ventricular.
- Protección de los equipos.
El sistema de puesta a tierra debe permitir el funcionamiento previsto sin dañar ningún equipo. En concreto, esto significa que el sistema de puesta a tierra debe ser capaz de (a) soportar corrientes de fallo; (b) mantener la integridad durante toda la vida útil de la instalación; (c) evitar daños en los equipos debidos a un aumento excesivo de la tensión o a flujos de corriente durante los fallos; y (d) contribuir a garantizar la compatibilidad electromagnética del sistema.
- Seguridad operativa.
El sistema de puesta a tierra debe respaldar la seguridad operativa manteniendo una referencia de tensión fiable.
Sólida conexión a tierra
La puesta a tierra sólida consiste en conectar un suministro del sistema, como el neutro de un generador o un transformador, directamente a tierra sin impedancias intermedias. Es una forma especialmente buena de evitar corrientes de fallo excesivas. La eficacia de un sistema sólidamente conectado a tierra puede determinarse comparando la corriente de defecto a tierra con la corriente de defecto trifásica. Cuanto mayor sea la corriente de defecto a tierra comparada con la corriente de defecto trifásica, mayor será el grado de puesta a tierra del sistema.
Sin conexión a tierra
En un sistema sin conexión a tierra, no hay ninguna conexión directa entre la alimentación del sistema y la tierra. Sólo están conectados entre sí mediante acoplamiento capacitivo [1].
Figura 7: Diagrama de circuito y diagrama fasorial de un sistema sin conexión a tierra
La figura 7 muestra un diagrama de circuito y un diagrama fasorial para un sistema sin conexión a tierra. Obsérvese que el sistema está conectado a tierra a través de 3 condensadores paralelos, etiquetados XCO. Representan el acoplamiento capacitivo a través del cual se conecta a tierra el sistema. Tanto el neutro como la puesta a tierra de protección se conectan a tierra a través de esta capacitancia.
Resistencia conectada a tierra
Un sistema conectado a tierra por resistencia tendrá la alimentación del sistema conectada a tierra a través de una resistencia. La limitación de la corriente mediante una resistencia tiene varias ventajas, como la reducción de los efectos de quemadura y fusión en los equipos averiados, la reducción de las tensiones mecánicas en los circuitos y la reducción de los riesgos de descarga eléctrica para el personal, por nombrar algunas.
Los sistemas de puesta a tierra por resistencia pueden ser de baja resistencia o de alta resistencia, dependiendo del resultado deseado. Los sistemas de puesta a tierra de baja resistencia pueden ser beneficiosos para limitar la corriente de defecto a tierra entre 50 A y 1000 A, mientras que los sistemas de puesta a tierra de alta resistencia son buenos cuando la corriente de defecto a tierra es inferior a 10 A de magnitud.
Reactancia conectada a tierra
Puesta a tierra resonante y neutralizadores de fallos a tierra
La puesta a tierra resonante es la conexión de una reactancia entre el neutro del sistema de alimentación y la tierra para eliminar la reactancia en un sistema a través de la resonancia. Los neutralizadores de fallos a tierra son reactores que se conectan entre el neutro de alimentación de un sistema y la tierra. Para la puesta a tierra resonante, el reactor se selecciona o sintoniza especialmente para que resuene con la capacitancia distribuida del sistema, de modo que la corriente de defecto a tierra se vuelva mayoritariamente resistiva con una magnitud baja.
Un sistema puesto a tierra por reactancia tendrá el neutro de alimentación del sistema conectado a tierra a través de un reactor (condensador, inductor, reactancia, etc.). La puesta a tierra de reactancia se utiliza normalmente cuando se desea limitar la magnitud de la falta a tierra a un valor muy similar a la magnitud de una falta trifásica.
Figura 9: Esquema de un sistema de puesta a tierra por resonancia con neutralizadores de averías a tierra
La figura 9 muestra un ejemplo de un sistema con puesta a tierra por resonancia, con la utilización de un neutralizador de defecto a tierra. Obsérvese que la introducción del inductor,XL, se utiliza para contrarrestar los efectos del acoplamiento capacitivo a tierra, con lo que la corriente de defecto a tierra pasa a ser casi puramente resistiva.
Comparación de los tipos de sistemas de puesta a tierra de alta tensión
A continuación se resumen las ventajas e inconvenientes de los métodos de puesta a tierra de alta tensión:
| Parámetro | Sin conexión a tierra | Sólido | Reactancia Puesta a tierra | Neutralizador de fallo a tierra | Resistencia Conexión a tierra | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Reactor de bajo valor | Reactor de alto valor | Baja resistencia | Alta resistencia | ||||
| Corriente de defecto fase-tierra en porcentaje de la corriente trifásica | Menos del 1 | Varía, puede ser del 100% o más | Suelen estar diseñados para producir entre el 25% y el 100%. | 5% a 25%. | Corriente de defecto casi nula | 20% y hacia abajo hasta 100 A y 1000 A | Inferior al 1% pero no inferior al elemento de carga del sistema, 3ICO |
| Transitorios | Muy alta | No excesivo | No excesivo | No excesivo | No excesivo | No excesivo | No excesivo |
| Cargas de línea a neutro | No se admite | Soporte | Se admite si la corriente es igual o superior al 60 | No se admite | No se admite | No se admite | No se admite |
| Descargadores de sobretensión | Tipo neutro sin conexión a tierra | Tipo neutro sin conexión a tierra | |||||
| Observaciones | No se recomienda debido a las sobretensiones y a la no segregación de fallos. | Generalmente utilizado en sistemas (1) de 600 V e inferiores y (2) de más de 15 kV. | No se utiliza debido a sobretensiones excesivas | El más adecuado para su aplicación en la mayoría de los sistemas industriales y comerciales de media tensión que están aislados de su red eléctrica mediante transformadores. | Generalmente se utiliza en sistemas de 2,4 kV a 15 kV, especialmente cuando se conectan grandes máquinas rotativas. | Utilizado en sistemas de hasta 5 kV | |
Enfoque basado en el riesgo
En general, es increíblemente difícil eliminar todos los peligros asociados a los sistemas de puesta a tierra. La gestión de riesgos suele implicar la minimización de los peligros hasta un grado estadístico aceptable, en lugar de su eliminación. Normas relativamente nuevas como la AS 2067 [3] proporcionan metodologías para cálculos basados en el riesgo para el diseño de sistemas de puesta a tierra.
Peligros de la tensión de contacto y de paso y enfoque basado en el riesgo
La amenaza más importante a la que se enfrentan las personas que utilizan sistemas de toma de tierra es el riesgo de fibrilación ventricular debido al flujo de corriente en el corazón. Esto depende de la fisiología de la persona, la duración del flujo de corriente, la cantidad de corriente y si la corriente interferirá con el ciclo cardíaco de la persona. Los detalles sobre las probabilidades relacionadas con los efectos de la corriente en el corazón humano y la impedancia corazón/cuerpo pueden encontrarse en la norma IEC 60479 [4].
Rara vez es posible alcanzar niveles de peligro insignificantes. La determinación del nivel de peligro está relacionada con el riesgo de fibrilación y el uso de cálculos de probabilidad como se detalla en IEC 60479.
Si no es posible reducir los peligros, hay que recurrir a la evaluación de riesgos. Ésta debe incluir el índice de ocurrencia y la duración de los fallos, junto con la frecuencia y duración del contacto de una persona in situ. La reducción de riesgos debe aplicarse en la medida de lo posible, siempre que el coste no sea desproporcionado en relación con el beneficio obtenido.
Referencias:
[1] IEEE Std 3003.1-2019 Práctica recomendada para la puesta a tierra del sistema de sistemas eléctricos industriales y comerciales.
[2] IEC Std 60364-1 Instalaciones eléctricas de baja tensión - Parte 1. Principios fundamentales: Principios fundamentales, evaluación de las características generales, definiciones.
[3] AS 2067:2016 Subestaciones e instalaciones de alta tensión de más de 1 kV c.a.
[4] IEC 60479-1:2018 Efectos de la corriente en los seres humanos y el ganado: Aspectos generales.
