Conexión a tierra eléctrica para seguridad o funcionamiento.
Un sistema de puesta a tierra (Reino Unido e IEC) o un sistema de puesta a tierra (EE. UU.) conecta partes específicas de un sistema de energía eléctrica con tierra , generalmente la superficie conductora del equipo, por motivos funcionales y de seguridad. [1] La elección del sistema de puesta a tierra puede afectar a la seguridad y a la compatibilidad electromagnética de la instalación. Las regulaciones para los sistemas de puesta a tierra varían entre países, aunque la mayoría sigue las recomendaciones de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). Las regulaciones pueden identificar casos especiales para la puesta a tierra en minas, en áreas de atención a pacientes o en áreas peligrosas de plantas industriales.
Además de los sistemas de energía eléctrica, otros sistemas pueden requerir conexión a tierra por motivos de seguridad o funcionamiento. Las estructuras altas pueden tener pararrayos como parte de un sistema para protegerlas de los rayos. Las líneas telegráficas pueden utilizar la Tierra como conductor de un circuito, ahorrando el coste de instalación de un cable de retorno en un circuito largo. Las antenas de radio pueden requerir una conexión a tierra particular para su funcionamiento, así como para controlar la electricidad estática y proporcionar protección contra rayos.
Propósitos
Hay tres propósitos principales para la conexión a tierra:
Puesta a tierra del sistema
La conexión a tierra del sistema tiene como objetivo la seguridad eléctrica en todo el sistema y no es causada por una falla eléctrica. Su objetivo principal es evitar la acumulación de estática y proteger contra sobretensiones causadas por rayos o interruptores cercanos. [2] La acumulación de estática, inducida por la fricción, por ejemplo, cuando el viento sopla sobre un mástil de radio , se disipa hacia la Tierra. [3] En caso de sobretensión, un pararrayos , un pararrayos o un SPD desviará el exceso de corriente a tierra antes de que llegue a un aparato. [4]
La puesta a tierra del sistema también permite la conexión equipotencial de todas las estructuras metálicas para evitar diferencias de potencial entre ellas. [5] Tener la Tierra como punto de referencia común también mantiene la diferencia de potencial del sistema eléctrico limitada a la tensión de alimentación. [6]
Puesta a tierra de equipos
La conexión a tierra del equipo tiene como objetivo la seguridad eléctrica en caso de falla eléctrica. Su objetivo principal es prevenir daños al equipo y el riesgo de descarga eléctrica. Este tipo de puesta a tierra no es técnicamente una conexión a tierra. [7] Cuando la corriente fluye desde un conductor de línea a un cable de tierra, como es el caso cuando un conductor de línea hace contacto con una superficie conectada a tierra en un aparato de Clase I , un dispositivo de desconexión automática del suministro (ADS), como un disyuntor o un RCD abrirá automáticamente el circuito para eliminar la falla. [8]
Puesta a tierra funcional
La conexión a tierra funcional tiene una finalidad distinta a la de seguridad eléctrica. [9] Los propósitos de ejemplo incluyen el filtrado de interferencias electromagnéticas (EMI) en un filtro EMI y el uso de la Tierra como ruta de retorno en un sistema de distribución de retorno a tierra de un solo cable .
Sistemas de baja tensión
En las redes de baja tensión , que distribuyen energía eléctrica a una amplia clase de usuarios finales, la principal preocupación al diseñar los sistemas de puesta a tierra es la seguridad de los consumidores que utilizan los aparatos eléctricos y su protección contra descargas eléctricas. El sistema de puesta a tierra, en combinación con dispositivos de protección como fusibles y dispositivos de corriente residual, debe garantizar en última instancia que una persona no entre en contacto con un objeto metálico cuyo potencial en relación con el potencial de la persona exceda un umbral seguro , generalmente establecido en aproximadamente 50 V. .
En la mayoría de los países desarrollados, se introdujeron enchufes de 220 V, 230 V o 240 V con contactos a tierra justo antes o poco después de la Segunda Guerra Mundial, aunque con considerables variaciones nacionales. Sin embargo, en los Estados Unidos y Canadá, donde el voltaje de suministro es de solo 120 V, las tomas de corriente instaladas antes de mediados de la década de 1960 generalmente no incluían una clavija de conexión a tierra. En el mundo en desarrollo, las prácticas de cableado locales pueden proporcionar o no una conexión a tierra.
En las redes eléctricas de baja tensión con una tensión de fase a neutro superior a 240 V a 690 V, que se utilizan principalmente en la industria, equipos y máquinas de minería en lugar de redes de acceso público, el diseño del sistema de puesta a tierra es tan importante desde el punto de vista de la seguridad como en las redes domésticas. usuarios.
De 1947 a 1996 para estufas (incluidas estufas y hornos separados) y de 1953 a 1996 para secadoras de ropa, el Código Eléctrico Nacional de EE. UU. permitió que el cable neutro de suministro se usara como conexión a tierra del gabinete del equipo si el circuito se originaba en el panel de servicio principal. . Esto estaba permitido para equipos enchufables y equipos conectados permanentemente. Los desequilibrios normales en el circuito crearían pequeños voltajes a tierra del equipo, una falla del conductor neutro o de las conexiones permitiría que el equipo alcanzara los 120 voltios a tierra, una situación fácilmente letal. Las ediciones de 1996 y posteriores del NEC ya no permiten esta práctica. Por razones similares, la mayoría de los países ahora han exigido conexiones de tierra de protección dedicadas en el cableado de consumo que ahora son casi universales. En las redes de distribución, donde las conexiones son cada vez menos vulnerables, muchos países permiten que tierra y neutro compartan conductor.
Si la ruta de falla entre objetos energizados accidentalmente y la conexión de suministro tiene baja impedancia, la corriente de falla será tan grande que el dispositivo de protección contra sobrecorriente del circuito (fusible o disyuntor) se abrirá para eliminar la falla a tierra. Cuando el sistema de conexión a tierra no proporciona un conductor metálico de baja impedancia entre los gabinetes del equipo y el retorno de suministro (como en un sistema TT con conexión a tierra por separado), las corrientes de falla son menores y no necesariamente operarán el dispositivo de protección contra sobrecorriente. En tal caso, se instala un dispositivo de corriente residual para detectar la fuga de corriente a tierra e interrumpir el circuito.
Terminología IEC
La norma internacional IEC 60364 distingue tres familias de disposiciones de puesta a tierra, utilizando los códigos de dos letras TN , TT e IT .
La primera letra indica la conexión entre tierra y el equipo de alimentación (generador o transformador):
"T" — Conexión directa de un punto con la tierra (latín: terra)
"Yo" : ningún punto está conectado con la tierra (latín: īnsulātum), excepto quizás a través de una alta impedancia.
La segunda letra indica la conexión entre tierra o red y el aparato eléctrico que se alimenta:
"T" — La conexión a tierra se realiza mediante una conexión local directa a tierra (en latín: terra), generalmente a través de una varilla de tierra.
"N" — la conexión a tierra es suministrada por la red de suministro eléctrico, ya sea por separado al conductor neutro (TN-S), combinado con el conductor neutro (TN-C), o ambos (TN-CS). Estos se analizan a continuación.
Tipos de redes TN
En un sistema de puesta a tierra TN , uno de los puntos del generador o transformador está conectado a tierra, normalmente el punto estrella en un sistema trifásico. A través de esta conexión a tierra en el transformador, el cuerpo del aparato eléctrico está conectado a tierra. Esta disposición es un estándar actual para sistemas eléctricos residenciales e industriales, particularmente en Europa. [10]
El conductor que conecta las partes metálicas expuestas de la instalación eléctrica del consumidor se llama tierra de protección ( PE ; ver también: Tierra ). El conductor que se conecta al punto estrella en un sistema trifásico , o que conduce la corriente de retorno en un sistema monofásico , se llama neutro ( N ). Se distinguen tres variantes de los sistemas TN:
TN-S
PE y N son conductores separados que están conectados entre sí sólo cerca de la fuente de alimentación.
TN-C
Un conductor PEN combinado cumple las funciones tanto de un conductor PE como de un conductor N. (en sistemas de 230/400 V normalmente solo se utilizan para redes de distribución)
TN-C-S
Parte del sistema utiliza un conductor PEN combinado, que en algún momento se divide en líneas PE y N separadas. El conductor PEN combinado normalmente se produce entre la subestación y el punto de entrada al edificio, y la tierra y el neutro están separados en el cabezal de servicio. En el Reino Unido, este sistema también se conoce como puesta a tierra múltiple de protección (PME) , debido a la práctica de conectar el conductor combinado de neutro y tierra a través de la ruta más corta posible a picas de tierra locales en la fuente y a intervalos a lo largo de las redes de distribución. a cada local, para proporcionar tanto la puesta a tierra del sistema como la puesta a tierra del equipo en cada una de estas ubicaciones. [11] [12] Sistemas similares en Australia y Nueva Zelanda se designan como neutro con conexión a tierra múltiple (MEN) y, en América del Norte, como neutro con conexión a tierra múltiple (MGN) .
Es posible tener alimentaciones TN-S y TN-CS tomadas del mismo transformador. Por ejemplo, las cubiertas de algunos cables subterráneos se corroen y dejan de proporcionar buenas conexiones a tierra, por lo que las casas donde se encuentran "malas tierras" de alta resistencia pueden convertirse a TN-CS. Esto sólo es posible en una red cuando el neutro es lo suficientemente robusto contra fallas y la conversión no siempre es posible. El PEN debe estar adecuadamente reforzado contra fallas, ya que un PEN de circuito abierto puede generar voltaje de fase completa en cualquier metal expuesto conectado a la tierra del sistema aguas abajo del interruptor. La alternativa es proporcionar una tierra local y convertirla a TT. El principal atractivo de una red TN es que la ruta a tierra de baja impedancia permite una fácil desconexión automática (ADS) en un circuito de alta corriente en el caso de un cortocircuito de línea a PE, ya que el mismo disyuntor o fusible funcionará para LN o L. -Faltas de PE, y no se necesita un RCD para detectar fallas a tierra.
red TT
El sistema de puesta a tierra TT (francés: terre-terre)
En un sistema de puesta a tierra TT (latín: terra-terra), la conexión a tierra de protección para el consumidor la proporciona un electrodo de tierra local (a veces denominado conexión Terra-Firma) y hay otro instalado de forma independiente en el generador. No hay ningún "cable de tierra" entre los dos. La impedancia del bucle de falla es mayor y, a menos que la impedancia del electrodo sea muy baja, una instalación TT siempre debe tener un RCD (GFCI) como primer aislador.
La gran ventaja del sistema de puesta a tierra TT es la reducción de las interferencias conducidas de los equipos conectados de otros usuarios. TT siempre ha sido preferible para aplicaciones especiales como sitios de telecomunicaciones que se benefician de una conexión a tierra libre de interferencias. Además, las redes TT no suponen ningún riesgo grave en caso de rotura del neutral. Además, en lugares donde la energía se distribuye por encima, los conductores de tierra no corren riesgo de activarse si alguno de los conductores de distribución aérea se fractura, por ejemplo, por la caída de un árbol o una rama.
En la era anterior a los RCD , el sistema de puesta a tierra TT no era atractivo para uso general debido a la dificultad de disponer una desconexión automática confiable (ADS) en el caso de un cortocircuito de línea a PE (en comparación con los sistemas TN, donde el mismo interruptor o el fusible funcionará para fallas LN o L-PE). Pero a medida que los dispositivos de corriente residual mitigan esta desventaja, el sistema de puesta a tierra TT se ha vuelto mucho más atractivo siempre que todos los circuitos de alimentación de CA estén protegidos por RCD. En algunos países (como el Reino Unido), se recomienda TT para situaciones en las que no es práctico mantener una zona equipotencial de baja impedancia mediante unión, donde hay un cableado exterior significativo, como suministros para casas móviles y algunos entornos agrícolas, o donde una falla alta La corriente podría plantear otros peligros, como en depósitos de combustible o puertos deportivos.
El sistema de puesta a tierra TT se utiliza en todo Japón, con unidades RCD en la mayoría de los entornos industriales o incluso en el hogar. Esto puede imponer requisitos adicionales a los variadores de frecuencia y a las fuentes de alimentación de modo conmutado que a menudo tienen filtros sustanciales que transmiten ruido de alta frecuencia al conductor de tierra.
red informática
El sistema de puesta a tierra IT (francés: isolé-terre)
En una red IT (isolé-terre), el sistema de distribución eléctrica no tiene ninguna conexión a tierra o sólo tiene una conexión de muy alta impedancia .
Comparación
Otras terminologías
Si bien las regulaciones nacionales de cableado para edificios de muchos países siguen la terminología IEC 60364 , en América del Norte (Estados Unidos y Canadá), el término "conductor de puesta a tierra de equipos" se refiere a las conexiones a tierra de los equipos y a los cables de tierra en circuitos derivados, y al "conductor de electrodo de puesta a tierra". Se utiliza para conductores que unen una varilla de tierra, un electrodo o similar a un panel de servicio. El electrodo de tierra "local" proporciona "conexión a tierra del sistema" [13] en cada edificio donde está instalado.
El conductor portador de corriente "puesto a tierra" es el "neutro" del sistema. Las normas australianas y neozelandesas utilizan un sistema de puesta a tierra múltiple de protección (PME [14] ) modificado llamado neutro con conexión a tierra múltiple (MEN). El neutro está conectado a tierra en cada punto de servicio al consumidor, lo que efectivamente lleva la diferencia de potencial neutro hacia cero a lo largo de toda la longitud de las líneas de BT . En la terminología IEC 60364 esto se denomina TN-CS. En América del Norte, se utiliza el término sistema "neutro con conexión a tierra múltiple" (MGN). [15]
En el Reino Unido y algunos países de la Commonwealth, el término "PNE", que significa fase-neutro-tierra, se utiliza para indicar que se utilizan tres conductores (o más para conexiones no monofásicas), es decir, PN-S.
Neutro puesto a tierra por resistencia (India)
En la India se utiliza un sistema de tierra de resistencia para la minería según las Regulaciones de la Autoridad Central de Electricidad. En lugar de una conexión sólida de neutro a tierra, se utiliza una resistencia de puesta a tierra neutra (NGR) para limitar la corriente a tierra a menos de 750 mA. Debido a la restricción de corriente de falla, es más seguro para minas gaseosas. [16] Dado que la fuga a tierra está restringida, los dispositivos de protección contra fugas se pueden configurar a menos de 750 mA. En comparación, en un sistema sólidamente puesto a tierra, la corriente de falla a tierra puede ser tanta como la corriente de cortocircuito disponible.
La resistencia de puesta a tierra neutra se monitorea para detectar una conexión a tierra interrumpida y para cortar la energía si se detecta una falla. [17]
Protección diferencial
Para evitar descargas accidentales, se utilizan circuitos de detección de corriente en la fuente para aislar la energía cuando la corriente de fuga excede un cierto límite. Para ello se utilizan dispositivos de corriente residual (RCD, RCCB o GFCI). Previamente se utiliza un disyuntor diferencial . En aplicaciones industriales, los relés de fuga a tierra se utilizan con transformadores de corriente equilibrados de núcleo separado. [18] Esta protección funciona en el rango de miliamperios y se puede configurar de 30 mA a 3000 mA.
Comprobación de conectividad terrestre
Se tiende un cable piloto separado desde el sistema de distribución/suministro del equipo además del cable de tierra, para supervisar la continuidad del cable. Se utiliza en los cables de arrastre de la maquinaria minera. [19] Si el cable de tierra está roto, el cable piloto permite que un dispositivo sensor en el extremo de la fuente interrumpa la energía a la máquina. Este tipo de circuito es imprescindible para equipos eléctricos pesados portátiles (como LHD (máquina de carga, transporte y descarga) ) que se utilizan en minas subterráneas.
Propiedades
Costo
Las redes TN ahorran el coste de una conexión a tierra de baja impedancia en el sitio de cada consumidor. Esta conexión (una estructura metálica enterrada) es necesaria para proporcionar protección a tierra en sistemas IT y TT.
Las redes TN-C ahorran el coste de un conductor adicional necesario para conexiones N y PE separadas. Sin embargo, para mitigar el riesgo de rotura de neutros, se necesitan tipos de cables especiales y muchas conexiones a tierra.
Las redes TT requieren una protección RCD (interruptor de falla a tierra) adecuada.
Seguridad
En TN, es muy probable que un fallo de aislamiento provoque una corriente de cortocircuito elevada que activará un disyuntor o fusible contra sobrecorriente y desconectará los conductores L. Con los sistemas TT, la impedancia del bucle de falla a tierra puede ser demasiado alta para hacer esto, o demasiado alta para hacerlo dentro del tiempo requerido, por lo que generalmente se emplea un RCD (anteriormente ELCB). Las instalaciones TT anteriores pueden carecer de esta importante característica de seguridad, lo que permite que el CPC (conductor de protección del circuito o PE) y quizás las piezas metálicas asociadas al alcance de las personas (partes conductoras expuestas y piezas conductoras extrañas) se energicen durante períodos prolongados en caso de falla. condiciones, lo que supone un peligro real.
En sistemas TN-S y TT (y en TN-CS más allá del punto de división), se puede utilizar un dispositivo de corriente residual como protección adicional. En ausencia de cualquier fallo de aislamiento en el dispositivo de consumo, la ecuación I L1 + I L2 + I L3 + I N = 0 se mantiene, y un RCD puede desconectar el suministro tan pronto como esta suma alcance un umbral (normalmente 10 mA – 500 mamá). Una falla de aislamiento entre L o N y PE activará un RCD con alta probabilidad
En las redes IT y TN-C, es mucho menos probable que los dispositivos diferenciales detecten un fallo de aislamiento. En un sistema TN-C, también serían muy vulnerables a disparos no deseados por contacto entre conductores de tierra de circuitos en diferentes RCD o con tierra real, haciendo impracticable su uso. Además, los RCD suelen aislar el núcleo neutro. Dado que no es seguro hacer esto en un sistema TN-C, los RCD en TN-C deben cablearse para interrumpir únicamente el conductor de línea.
En sistemas monofásicos de un solo extremo donde la Tierra y el neutro están combinados (TN-C, y la parte de los sistemas TN-CS que utiliza un núcleo combinado de neutro y tierra), si hay un problema de contacto en el conductor PEN, entonces todas las partes del sistema de puesta a tierra más allá de la interrupción aumentarán hasta el potencial del conductor L. En un sistema multifásico desequilibrado, el potencial del sistema de puesta a tierra se acercará al del conductor de línea más cargado. Tal aumento en el potencial del neutral más allá de la ruptura se conoce como inversión neutral . [20] Por lo tanto, las conexiones TN-C no deben pasar por conexiones de enchufe o cables flexibles, donde existe una mayor probabilidad de problemas de contacto que con el cableado fijo. También existe un riesgo si se daña un cable, lo que puede mitigarse mediante el uso de una construcción de cable concéntrica y múltiples electrodos de tierra. Debido a los (pequeños) riesgos de que la pérdida del neutro eleve el metal 'conectado a tierra' a un potencial peligroso, junto con el mayor riesgo de descarga eléctrica debido a la proximidad al buen contacto con la tierra verdadera, el uso de suministros TN-CS está prohibido en el Reino Unido para sitios para caravanas y suministro desde tierra a barcos, y se desaconseja encarecidamente su uso en granjas y sitios de construcción al aire libre, y en tales casos se recomienda hacer todo el cableado exterior TT con RCD y un electrodo de tierra separado.
En los sistemas de TI, es poco probable que un solo fallo de aislamiento provoque que fluyan corrientes peligrosas a través de un cuerpo humano en contacto con tierra, porque no existe un circuito de baja impedancia para que fluya dicha corriente. Sin embargo, un primer fallo de aislamiento puede convertir efectivamente un sistema IT en un sistema TN, y luego un segundo fallo de aislamiento puede provocar corrientes corporales peligrosas. Peor aún, en un sistema multifásico, si uno de los conductores de línea hiciera contacto con la tierra, causaría que los otros núcleos de fase aumentaran al voltaje fase-fase relativo a la tierra en lugar del voltaje fase-neutro. Los sistemas TI también experimentan sobretensiones transitorias mayores que otros sistemas.
En los sistemas TN-C y TN-CS, cualquier conexión entre el núcleo combinado de neutro y tierra y el cuerpo de la Tierra podría terminar transportando una corriente significativa en condiciones normales, y podría transportar incluso más en una situación de neutro roto. Por lo tanto, los conductores principales de conexión equipotencial deben dimensionarse teniendo esto en cuenta; El uso de TN-CS no es aconsejable en situaciones como gasolineras, donde hay una combinación de mucha metalería enterrada y gases explosivos.
Compatibilidad electromagnética
En los sistemas TN-S y TT, el consumidor dispone de una conexión a tierra de bajo ruido, que no sufre la tensión que aparece en el conductor N como consecuencia de las corrientes de retorno y la impedancia de ese conductor. Esto es de particular importancia con algunos tipos de equipos de medición y telecomunicaciones.
En los sistemas TT, cada consumidor tiene su propia conexión a tierra y no notará ninguna corriente que puedan causar otros consumidores en una línea PE compartida.
Reglamento
En el Código Eléctrico Nacional de Estados Unidos y el Código Eléctrico Canadiense , la alimentación del transformador de distribución utiliza un conductor neutro y de puesta a tierra combinados, pero dentro de la estructura se utilizan conductores neutros y de tierra de protección separados (TN-CS). El neutro debe conectarse a tierra únicamente en el lado de alimentación del seccionador del cliente.
En Argentina , Francia (TT) y Australia (TN-CS), los clientes deben proporcionar sus propias conexiones terrestres.
Los electrodomésticos en Japón deben cumplir con la ley PSE y el cableado de los edificios utiliza conexión a tierra TT en la mayoría de las instalaciones.
En Australia, se utiliza el sistema de puesta a tierra de neutro con conexión a tierra múltiple (MEN), que se describe en la Sección 5 de AS/NZS 3000. Para un cliente de BT, es un sistema TN-C desde el transformador en la calle hasta las instalaciones (el neutro puesto a tierra varias veces a lo largo de este segmento), y un sistema TN-S en el interior de la instalación, desde el Cuadro General hacia abajo. Considerado en su conjunto, se trata de un sistema TN-CS.
En Dinamarca, la regulación de alto voltaje (Stærkstrømsbekendtgørelsen) y en Malasia, la Ordenanza sobre electricidad de 1994 establece que todos los consumidores deben utilizar una conexión a tierra TT, aunque en casos excepcionales se puede permitir TN-CS (utilizado de la misma manera que en los Estados Unidos). Las reglas son diferentes cuando se trata de empresas más grandes.
En la India, según las Regulaciones de la Autoridad Central de Electricidad , CEAR, 2010, regla 41, existe una conexión a tierra, un cable neutro en un sistema trifásico de 4 cables y un tercer cable adicional en un sistema bifásico de 3 cables. La puesta a tierra se realizará con dos conexiones separadas. El sistema de puesta a tierra también debe tener un mínimo de dos o más pozos de tierra (electrodos) para garantizar mejor una conexión a tierra adecuada. Según la regla 42, la instalación con una carga conectada superior a 5 kW y superior a 250 V deberá disponer de un dispositivo de protección diferencial adecuado para aislar la carga en caso de fallo o fuga a tierra. [21]
Ejemplos de aplicación
En las zonas del Reino Unido donde prevalece el cableado eléctrico subterráneo, el sistema TN-S es común. [22]
En India, el suministro de LT se realiza generalmente a través del sistema TN-S. El neutro tiene doble conexión a tierra en cada transformador de distribución. Los conductores neutros y de tierra discurren por separado en las líneas aéreas de distribución. Para la conexión a tierra se utilizan conductores separados para líneas aéreas y armaduras de cables. Se instalan electrodos/pozos de tierra adicionales en cada extremo del usuario para proporcionar un camino redundante a tierra. [23]
La mayoría de las viviendas modernas en Europa cuentan con un sistema de puesta a tierra TN-CS. [ cita necesaria ] El neutro y la tierra combinados se producen entre la subestación transformadora más cercana y el corte del servicio (el fusible antes del medidor). Después de esto, se utilizan núcleos neutros y de tierra separados en todo el cableado interno.
Las casas urbanas y suburbanas más antiguas del Reino Unido tienden a tener suministros TN-S, y la conexión a tierra se realiza a través de la cubierta de plomo de un cable subterráneo de plomo y papel.
El sistema IT con 230 V entre fases se utiliza bastante en Noruega . Se estima que el 70% de todos los hogares están conectados a la red a través del sistema informático. [24] Sin embargo, las zonas residenciales más nuevas se construyen en su mayoría con TN-CS, en gran medida impulsado por el hecho de que los productos trifásicos para el mercado de consumo - como las estaciones de carga de vehículos eléctricos - se desarrollan para el mercado europeo, donde los sistemas TN con Predominan los 400 V entre las fases. [25]
Algunas casas más antiguas, especialmente aquellas construidas antes de la invención de los disyuntores de corriente residual y las redes de área doméstica cableadas, utilizan una disposición interna TN-C. Esta ya no es una práctica recomendada.
Salas de laboratorio, instalaciones médicas, obras de construcción, talleres de reparación, instalaciones eléctricas móviles y otros entornos que se alimentan a través de generadores de motores donde existe un mayor riesgo de fallos de aislamiento, a menudo utilizan una disposición de puesta a tierra IT suministrada por transformadores de aislamiento . Para mitigar los problemas de dos fallas con los sistemas de TI, los transformadores de aislamiento deben suministrar solo una pequeña cantidad de cargas cada uno y deben protegerse con un dispositivo de monitoreo de aislamiento (generalmente utilizado solo por sistemas de TI médicos, ferroviarios o militares, debido al costo).
En áreas remotas, donde el costo de un conductor PE adicional supera el costo de una conexión a tierra local, las redes TT se usan comúnmente en algunos países, especialmente en propiedades más antiguas o en áreas rurales, donde de otro modo la seguridad podría verse amenazada por la fractura de un conductor de PE aéreo por, por ejemplo, la rama de un árbol caído. Los suministros de TT a propiedades individuales también se observan principalmente en sistemas TN-CS donde una propiedad individual se considera no apta para el suministro de TN-CS.
En Australia , Nueva Zelanda e Israel se utiliza el sistema TN-CS; sin embargo, las reglas de cableado establecen que, además, cada cliente debe proporcionar una conexión a tierra separada, a través de un electrodo de tierra exclusivo. (Cualquier tubería de agua metálica que ingrese a las instalaciones del consumidor también debe estar "unida" al punto de conexión a tierra en el tablero/panel de distribución). En Australia y Nueva Zelanda, la conexión entre la barra protectora de tierra y la barra neutra en el tablero/panel principal es llamado Enlace de neutro múltiple puesto a tierra o Enlace MEN. Este enlace MEN es extraíble para fines de prueba de instalación, pero se conecta durante el servicio normal mediante un sistema de bloqueo (contratuercas, por ejemplo) o dos o más tornillos. En el sistema MEN, la integridad del neutral es primordial. En Australia, las nuevas instalaciones también deben unir el refuerzo de hormigón de los cimientos debajo de las áreas húmedas al conductor de tierra de protección (AS3000), lo que generalmente aumenta el tamaño de la conexión a tierra (es decir, reduce la resistencia) y proporciona un plano equipotencial en áreas como los baños. En instalaciones más antiguas, no es raro encontrar solo la conexión de la tubería de agua, y se permite que permanezca como tal, pero se debe instalar el electrodo de tierra adicional si se realiza algún trabajo de mejora. El conductor neutro/tierra de protección entrante está conectado a una barra neutra (ubicada en el lado del cliente de la conexión neutra del medidor de electricidad) que luego se conecta a través del enlace MEN del cliente a la barra de tierra; más allá de este punto, la tierra protectora y los conductores neutros están separados.
Sistemas de alto voltaje
Simulación de puesta a tierra múltiple en suelo monocapa.
En las redes de alta tensión (por encima de 1 kV), que son mucho menos accesibles al público en general, el diseño del sistema de puesta a tierra se centra menos en la seguridad y más en la confiabilidad del suministro, la confiabilidad de la protección y el impacto en el equipo en presencia de un cortocircuito. Sólo la magnitud de los cortocircuitos entre fase y tierra, que son los más comunes, se ve significativamente afectada por la elección del sistema de puesta a tierra, ya que el camino de la corriente está en su mayor parte cerrado a través de la tierra. Los transformadores de potencia trifásicos AT/MT , ubicados en subestaciones de distribución , son la fuente de suministro más común para las redes de distribución, y el tipo de puesta a tierra de su neutro determina el sistema de puesta a tierra.
Hay cinco tipos de puesta a tierra del neutro: [26]
En neutro sólido o directamente conectado a tierra, el punto estrella del transformador está conectado directamente a tierra. En esta solución, se proporciona una ruta de baja impedancia para que se cierre la corriente de falla a tierra y, como resultado, sus magnitudes son comparables con las corrientes de falla trifásicas. [26] Dado que el neutro permanece en el potencial cercano a tierra, las tensiones en las fases no afectadas permanecen en niveles similares a los previos a la falla; por ese motivo, este sistema se utiliza habitualmente en redes de transmisión de alta tensión , donde los costes de aislamiento son elevados. [27]
Neutro puesto a tierra por resistencia
Para limitar la falla a tierra por cortocircuito, se agrega una resistencia de puesta a tierra neutra (NER) adicional entre el neutro del punto estrella del transformador y tierra.
El sistema de puesta a tierra de alta resistencia conecta a tierra el neutro a través de una resistencia que limita la corriente de falla a tierra a un valor igual o ligeramente mayor que la corriente de carga capacitiva de ese sistema.
Neutral desenterrado
En los sistemas con neutro no puesto a tierra , aislados o flotantes , al igual que en los sistemas informáticos, no existe una conexión directa entre el punto estrella (o cualquier otro punto de la red) y el suelo. Como resultado, las corrientes de falla a tierra no tienen camino que cerrar y, por lo tanto, tienen magnitudes insignificantes. Sin embargo, en la práctica, la corriente de falla no será igual a cero: los conductores del circuito (particularmente los cables subterráneos) tienen una capacitancia inherente hacia la tierra, lo que proporciona un camino de impedancia relativamente alta. [28]
Los sistemas con neutro aislado pueden continuar funcionando y proporcionar suministro ininterrumpido incluso en presencia de una falla a tierra. [26] Sin embargo, mientras la falla está presente, el potencial de las otras dos fases con respecto a la tierra alcanza el voltaje normal de operación, creando una tensión adicional para el aislamiento ; Las fallas de aislamiento pueden provocar fallas a tierra adicionales en el sistema, ahora con corrientes mucho más altas. [27]
La presencia de una falla a tierra ininterrumpida puede representar un riesgo importante para la seguridad: si la corriente excede de 4 A – 5 A, se desarrolla un arco eléctrico , que puede mantenerse incluso después de que se solucione la falla. [28] Por esa razón, se limitan principalmente a redes subterráneas y submarinas, y aplicaciones industriales, donde la necesidad de confiabilidad es alta y la probabilidad de contacto humano relativamente baja. En redes de distribución urbana con múltiples alimentaciones subterráneas, la corriente capacitiva puede alcanzar varias decenas de amperios, lo que supone un riesgo importante para los equipos.
El beneficio de una baja corriente de falla y el funcionamiento continuo del sistema a partir de entonces se ve compensado por el inconveniente inherente de que la ubicación de la falla es difícil de detectar. [29]
Varillas de puesta a tierra
Según los estándares IEEE, las varillas de puesta a tierra están hechas de materiales como cobre y acero . Para elegir una pica de puesta a tierra existen varios criterios de selección como: resistencia a la corrosión , diámetro dependiendo de la corriente de falla , conductividad y otros. [30] Hay varios tipos derivados del cobre y del acero: aglomerados con cobre, acero inoxidable, cobre macizo, acero galvanizado rectificado. En las últimas décadas, se han desarrollado varillas de puesta a tierra químicas para puesta a tierra de baja impedancia que contienen sales electrolíticas naturales. [31] y varillas de conexión a tierra de fibra de nanocarbono. [32]
Conectores de puesta a tierra
Conectores de puesta a tierra
Los conectores para instalación de puesta a tierra son un medio de comunicación entre los distintos componentes de las instalaciones de puesta a tierra y de protección contra el rayo (picas de tierra, conductores de puesta a tierra, conductores de corriente, barras colectoras , etc.).
Para instalaciones de alta tensión se utiliza soldadura exotérmica para conexiones subterráneas.
Resistencia del suelo
Esfuerzo vertical de un suelo.
La resistencia del suelo es un aspecto importante en el diseño y cálculo de un sistema/instalación de puesta a tierra. Su resistencia determina la eficiencia de la desviación de corrientes no deseadas a potencial cero (tierra). La resistencia de un material geológico depende de varios componentes: la presencia de minerales metálicos, la temperatura de la capa geológica, la presencia de características arqueológicas o estructurales, la presencia de sales disueltas y contaminantes, la porosidad y la permeabilidad. Existen varios métodos básicos para medir la resistencia del suelo. La medición se realiza con dos, tres o cuatro electrodos. Los métodos de medición son: polo-polo, dipolo-dipolo, polo-dipolo, método de Wenner y método de Schlumberger.
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