Escuela de Ingeniería Eléctrica IE – 1071 Diseño Eléctrico I
Prof. Luis Fdo. Andrés Jácome
Agosto, 2011
Sistemas de puesta a tierra NEC 250 INTRODUCCIÓN
Tomado del libro “Tierras soporte de seguridad eléctrica” de Favio Casas Ospina
¡Qué tema tan inmenso y noble el de las puestas a tierra! Presenta unas características muy particulares, entre las que citaremos: es un rompecabezas que le saca canas verdes a muchos; siempre ha estado rodeado de mitos y misterios; permite la ubicación de sus adeptos, desde el extremos puramente teórico, hasta la más simple artesanía práctica; facilita tapar con tierra los desaciertos: le permite especular a muchos, delirar a unos pocos y posar de sabelotodo al que tenga una audiencia de bajo nivel técnico, y en muchas ocasiones visto como un simple requisito, por las oportunidades de evitar las normas; alcanza hasta para hacer trueque de los parámetros eléctricos. ¿No será qué por no estar al alcance de los ojos, algunos también las alejan de la mente? En este panorama, el tema es tomado en la mayoría de las veces, con una simpleza tal, que raya en la irresponsabilidad; quizás por su definición general tan simple. Por todo ello, en la práctica cotidiana se ven las ochocientas formas de construir y conectar mal un sistema de puesta a tierra. Pero la naturaleza es sabia y ha encontrado en los daños su mejor forma de protestar por tanto olvido.
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Sistemas de puesta a tierra NEC 250 FACTORES CULTURALES Y LEGALIDAD ¿Por qué en los EEUU sí se cumple el National Electrical Code?
Además de las diferencias culturales y económicas entre Colombia y los EEUU y del hecho de que el NEC es 100 años mas viejo que el CEC, existen un par de poderosas razones que han estimulado el cumplimiento del NEC: En primer lugar, compañías desiniestro, seguros inspeccionan de los EEUUminuciosamente tienen inspectores especializados que,las después de cada las instalaciones eléctricas buscando cualquier violación de las reglas vigentes del NEC cuando se efectuó la instalación, con el fin de no tener que pagar el seguro. La segunda razón es que tan pronto se determina que la causa de una muerte o de un accidente grave fue una violación del NEC, los abogados de la parte afectada, entablan inmensas demandas en contra de los constructores o electricistas responsables, pudiéndolos castigar con cárcel, hasta 30 ó 40 años después de haber sido realizada la instalación. Por lo tanto, no sólo las compañías de seguros sino los mismos constructores y electricistas son los más interesados en estudiar y cumplir hasta el más mínimo detalle del Código. 3
Sistemas de puesta a tierra NEC 250 ¿Por qué aterrizar los sistemas y circuitos? Protección del personal (Tierra de Seguridad) Protección del equipo (Tierra Aislada)
Razones básicas para el aterrizamiento
Limitación de las tensiones causados por la rayería o por contacto accidental de conductores de la empresa distribuidora con conductores de alta/media/baja tensión. Estabilización de la tensión bajo condiciones normales de operación (lo cual mantiene la tensión a un nivel relativo a tierra, con lo cual cualquier el equipo conectado al sistema será sometido solamente a una diferencia de potencial). Facilitar la operación de un dispositivo de sobrecorriente, tales como fusibles, disyuntores termomagnéticos o reles, bajo una condición de falla a tierra (brindar un camino de baja impedancia). 4
PUESTAS A TIERRA NEC (2005), IEEE 142 e IEEE 80 DEFINICIONES IDIOMÁTICAS
DEFINICIONES IDIOMÁTICAS
PUESTAS A TIERRA NEC (2005), IEEE 142 e IEE E 80 DEFINICIONES IDIOMÁTICAS GROUNDED: CONDUCTOR AISLADO Q UE INTE NCIONALMENTE ES PUESTO A T IERRA (NEUTRO)
GROUNDING: CONDUCTOR DESNUDO O AISLADO QUE ESTÁ PUESTO A TIERRA (TIERRA) BOUNDING: ENLAZAMIENTO O CONEXIÓN EQUIPOTENCIAL.
Sistemas de puesta a tierra NEC 250 Puesta a Tierra
La denominación “puesta a tierra” comprende cualquier unión metálica directa, sin fusible ni protección alguna, de sección suficiente, entre una parte de una instalación y un electrodo o placa metálica, de dimensiones y situación tales que, en todo momento, pueda asegurarse que el conjunto está prácticamente al mismo potencial de la tierra.
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Sistemas de puesta a tierra NEC 250 Seguridad en la Puesta a Tierra
La gente a menudo asume que cualquier objeto aterrizado puede ser seguro al toque, pero una baja resistencia a tierra de una subestación no es en sirelación misma una garantía de seguridad. No se trata de una simple entre la resistencia del sistema de puesta a tierra y la máxima corriente de choque a la cual una persona puede ser expuesta, por tal razón una subestación con relativa baja resistencia de puesta a tierra puede ser peligrosa y de forma equivalente una subestación con muy alta resistencia de puesta a tierra ser segura por razones de diseño. 8
Efectos de la corriente en el ser humano Aislamiento
Las instalaciones eléctricas deben estar diseñadas para prevenir el peligro de cualquier contacto accidental de las partes metálicas circundantes con los elementos que se encuentran bajo tensión, los cuáles deben estar provistos de los apoyos y aisladores adecuados.
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Efectos de la corriente en el ser humano Potencial Anormal
Aún con estos medios de seguridad permanece el peligro de que estas partes normalmente aisladas puedan tener contacto con las partes que no están a tensión y se tenga un potencial anormal con respecto al suelo (tierra) esto puede ocurrir por alguna causa accidental o defectos de aislamiento. Por tal motivo se han establecido dos tensiones importantes en el diseño
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Efectos de la corriente en el ser humano La tensión de paso VP:
Se define como la tensión que durante el funcionamiento de una red de tierras puede resultar entre el pie de una persona apoyada en el suelo a la distancia de un metro (1 paso) o entre un pie y el otro en forma convencional. Aplicables al ser humano
Vp
10k
tn
Máximas admisibles en una instalación
Vp
10k 6s 1 t n 1000 11
Efectos de la corriente en el ser humano La tensión de contacto VC:
Es la tensión a la cual se puede ver sometido el cuerpo humano por contacto con una carcasa o estructura metálica que normalmente no está en tensión de una máquina o aparato. Aplicables al ser humano
Vc kn t
Máximas admisibles en una instalación
Vc
k 1.5 s 1 t n 1000 12
Efectos de la corriente en el ser humano La tensión de contacto Vc y paso Vp: Vc: Voltaje de contacto Vp: Voltaje de paso t: Duración de la falla K y n : Constantes función del tiempo, dependen de la curva de I/t del relé. 0.9 ≥ t > 0.1 segundos, k=72 y n=1 3.0 ≥ t > 0.9 segundos, k=78.5 y n=0.18 5.0 ≥ t > 3.0 segundos, Vc=64 V, Vp=640 V t > 5.0 segundos, Vc=50 V, Vp=500 V 13
Efectos de la corriente en el ser humano Corriente mortal
Como se sabe una corriente eléctrica que circula por el cuerpo humano puede producir un efecto más o menos grave e inclusive resultar mortal según sea su intensidad y duración, su naturaleza así como las condiciones en que se encuentre la persona afectada.
Rango de corriente tolerable (IEEE Std 80)
Efectos de la corriente eléctrica pasando a través del partes vitales de cuerpo humano dependen de la duración, magnitud y frecuencia de esta corriente, la más peligrosa consecuencia de tal exposición para el corazón es la condición conocida como fibrilación ventricular, resultando en la inmediata supresión de la circulación sanguínea. 14
Efectos de la corriente en el ser humano Límite de corriente tolerable por el cuerpo humano (IEEE Std 80, cláusula 6)
La magnitud y duración de la corriente conducida a través del cuerpo humano para 50 Hz y 60 Hz debe ser menor que el valor que pueda causar fibrilación ventricular del corazón.
Importancia del pronto despeje de la falla (IEEE Std 80, cláusula 5.3) El corazón aumenta la susceptibilidad a la fibrilación ventricular cuando el tiempo de exposición a la corriente es aproximado al período de palpitación del corazón y que el riesgo diminuye si el tiempo de exposición se encuentra en el rango de 0.06 a 0.3s (60 a 300ms) (Biegelmeier y Lee).
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Efectos de la corriente en el ser humano Duración de la corriente tolerable por el cuerpo humano 100mA Como resultado de experimentos realizados en la Universidad de Columbia (Ferris 1936) con animales cuyo cuerpo y corazón fueran comparables al peso de los seres humanos, para esto fueron sometidos a choques eléctricos cuya duración máxima fue de 3 seg. Duración de la corriente tolerable por el cuerpo humano 50 a 500 mA Es el resultado de experimentos más recientes y sugieren la existencia de dos tiempos de exposición uno cuya duración es inferior a un latido del corazón (0.2 seg.) y el otro cuya duración es muy superior a un latido del corazón (2 seg. y mayor) respectivamente para un adulto de 50 kg (Biegelmeier) 16
Efectos de la corriente en el ser humano Duración de la corriente tolerable por el cuerpo humano (IEEE Std. 80, clá usula 6) Charles Dalziel (1904-1986) fue profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en la Universidad California Berkeley. Dalziel estudió los efectos de la electricidad en animales y humanos. “Los efectos de la descarga eléctrica sobre el hombre” Escribió el libro: en el que explica los efectos de diferentes cantidades de energía , eléctrica en seres humanos. Él es también el inventor del interruptor del circuito de falla a tierra (GFCI, siglas en inglés ground-fault circuit interrupter) que inventó en 1961. El GFCI se instala comúnmente en baños o cocinas en casa. La salida funciona normalmente hasta los 5 miliamperios pasa desde el aparato al suelo. Charles Dalziel fue un pionero en la comprensión de una descarga eléctrica en los seres humanos. 17
Efectos de la corriente en el ser humano Año a partir del cual la protección GFCI se requiere para la aplicación especificada Año Aplicación
Charles Dalziel (1904-1986)
1968 Swimming Pool Underwater Lighting 1971 Receptacles Near Swimming Pools 1973 Outdoor Receptacles 1975 Bathroom Receptacles 1978 Garage Receptacles 1981 Whirlpools and Tubs 1987 Receptacles Near Kitchen Sinks 1990 Receptacles in Unfinished Basements and Crawl Spaces 1993 Receptacles Near Wet Bar Sinks 1996 All Kitchen Counter-Top Receptacles 2005 Receptacles Near Laundry and Utility Sinks
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Efectos de la corriente en el ser humano Duración de la corriente tolerable por el cu erpo humano (IEEE Std. 80, cláusula 6) Según Dalziel: El las personas pueden soportar segura sin99,5% sufrir de fibrilación ventricular por el pasoen deforma la corriente, para una magnitud y duración determinada por las siguientes fórmulas: IB
k tS
donde:
k
SB
y
S B ( I B )2 tS
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Efectos de la corriente en el ser humano Duración de la corriente tolerable por el cuerpo humano (IEEE Std 80, cláusula 6) IB :
Es la magnitud rms de la corriente a través del cuerpo en Amperios. ts : Tiempo de exposición a la corriente en segundosSB: Constante empírica que relaciona la descarga de energía eléctrica tolerable para un cierto porcentaje de la población.
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Efectos de la corriente en el ser humano Duración de la corriente tolerable por el cuerpo humano (IEEE Std 80, cláusula 6) Dalziel encontró que para personas con un promedio de peso de 50 kg el 99.5% sobreviviría a una descarga eléctrica que resulta en un valor para SB de 0.0135 con k=0,116, que resulta en valores de 116 mA para tiempos de exposición de 1 seg. y 367 mA para un tiempo de exposición de 0.1 seg.; posteriormente, determinó un SB de 0.0246 con k =0.157 aplicable a personas de 70 kg de peso. 21
Efectos de la corriente en el ser humano
0 hasta 2mA: Percepción de circulación de corriente en ambas manos 10 hasta 20mA: Contracción muscular evitando soltarse del conductor. 20 hasta 30mA: Afecta las funciones respiratorias y circulatorias al extremo de detenerse (muerte aparente) 70 hasta 125mA: Fibrilación ventricular causando daños cerebrales y hasta la muerte. Resistencia del cuerpo humano: 1000 a 2000 . 22
Efectos de la corriente en el ser humano Conexión a tierra
El peligro de choque eléctrico se puede reducir y eventualmente eliminar si entre las partes metálicas que no están a potencial y el suelo se establece una conexión a tierra conveniente, que se denomina “conexión a tierra” que se caracteriza por un valor suficientemente bajo como para evitar potenciales que resulten peligrosos.
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NEC 250.4(A)(5) En Resumen: La conducción a tierra desde circuitos, equipos y carcasas debe ser:
Permanente y eléctricamente continua.
Con capacidad suficiente para conducir la corriente de falla máxima.
Impedancia baja para limitar la tensión a tierra y facilitar la operación de los sistemas de protección
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NEC 250.4(A)(5) La tierra (suelo) no será usada como el único conductor de tierra o trayectoria de corriente de falla Tablero
o c i r t c é l e
B/T
o i c i v r
En algunos casos aterrizan
Tubería no metálica
e S
la carcasa localmente
Corto circuito
B/N
La magnitud de la corriente podría no ser suficiente para disparar la protección
Carcasa del Motor
M
Voltaje Peligroso
Z (Impedancia) 25
NEC 250.4(A)(5) La tierra (suelo) no será usada como el único conductor de tierra o trayectoria de corriente de falla Tablero En otros casos no aterrizan la carcasa hasta que aparece
B/T
Tubería no metálica
una víctima
Corto circuito
B/N
La magnitud de la corriente podría no ser suficiente para disparar la protección
Carcasa del Motor
Z (Impedancia)
M
Voltaje Peligroso
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Sistemas sin puesta a tierra de equipo (Puesta a tierra de seguridad)
NEC 250.4(A)(5)
Cable dañado en contacto con metal
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