Un sistema de puesta a tierra (Reino Unido e IEC) o sistema de puesta a tierra (EE. UU.) conecta partes específicas de un sistema de energía eléctrica con la tierra , generalmente la superficie conductora de los equipos, por motivos de seguridad y funcionales. [1] La elección del sistema de puesta a tierra puede afectar la seguridad y 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 de puesta a tierra en minas, en áreas de atención al paciente o en áreas peligrosas de plantas industriales.
Además de los sistemas de energía eléctrica, otros sistemas pueden requerir una conexión a tierra para su 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 un conductor de un circuito, ahorrando el costo 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 brindar protección contra rayos.
La conexión a tierra tiene tres propósitos principales:
La puesta a tierra del sistema tiene como finalidad la seguridad eléctrica en todo el sistema, que no está causada por un cortocircuito u otro fallo eléctrico . Previene la acumulación de electricidad estática y protege contra las subidas de tensión provocadas por rayos o interruptores cercanos. [2] La acumulación de electricidad estática, inducida por la fricción, por ejemplo, cuando el viento sopla sobre un mástil de radio , se disipa a tierra. [3] En caso de una subida de tensión, un pararrayos , un pararrayos o un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) desviará el exceso de corriente a tierra antes de que llegue a un aparato. [4]
La puesta a tierra del sistema 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 mantiene la diferencia de potencial del sistema eléctrico limitada al voltaje de suministro. [6]
La conexión a tierra de los equipos proporciona seguridad eléctrica durante una falla eléctrica. Previene daños en los equipos y descargas eléctricas. Este tipo de conexión a tierra no es una conexión a tierra, técnicamente hablando. [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 de suministro (ADS), como un disyuntor o un dispositivo de corriente residual (RCD), abrirá automáticamente el circuito para eliminar la falla. [8]
La conexión a tierra funcional tiene un propósito distinto al de la seguridad eléctrica. [9] Algunos ejemplos de propósitos 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 .
En las redes de baja tensión , que distribuyen la energía eléctrica a la más amplia gama de usuarios finales, la principal preocupación en el diseño de 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 relativo al potencial de la persona supere un umbral de seguridad , normalmente fijado en unos 50 V.
En la mayoría de los países desarrollados, los enchufes de 220 V, 230 V o 240 V con contactos de puesta a tierra se introdujeron 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, los enchufes instalados antes de mediados de la década de 1960 generalmente no incluían una clavija de tierra. En el mundo en desarrollo, la práctica local de cableado puede proporcionar o no una conexión a tierra.
En las redes eléctricas de baja tensión con una tensión fase-neutro superior a 240 V a 690 V, que se utilizan principalmente en la industria, en equipos y máquinas de minería más que en redes de acceso público, el diseño del sistema de puesta a tierra es tan importante desde el punto de vista de la seguridad como para los usuarios domésticos.
Desde 1947 hasta 1996, en el caso de las cocinas (incluidas las encimeras y los hornos independientes) y desde 1953 hasta 1996, en el caso de las secadoras de ropa, el Código Eléctrico Nacional de los Estados Unidos permitía que el cable neutro de alimentación se utilizara como conexión a tierra del armario del equipo si el circuito se originaba en el panel de servicio principal. Esto se permitía para equipos enchufables y equipos conectados de forma permanente. Los desequilibrios normales en el circuito crearían pequeñas tensiones entre el equipo y la tierra; una falla del conductor neutro o de las conexiones permitiría que el equipo pasara a tener una tensión máxima de 120 voltios a tierra, una situación fácilmente letal. Las ediciones de 1996 y posteriores del Código Eléctrico Nacional ya no permiten esta práctica. Por razones similares, la mayoría de los países han exigido ahora conexiones a tierra de protección dedicadas en el cableado de los consumidores, que ahora son casi universales. En las redes de distribución, donde las conexiones son menos numerosas y menos vulnerables, muchos países permiten que la tierra y el neutro compartan un conductor.
Si la ruta de falla entre los 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 puesta a tierra no proporciona un conductor metálico de baja impedancia entre los gabinetes de los equipos y el retorno de suministro (como en un sistema TT con conexión a tierra independiente), las corrientes de falla son menores y no necesariamente harán funcionar 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.
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 suministro de energía (generador o transformador):
La segunda letra indica la conexión entre tierra o red y el dispositivo eléctrico que se está alimentando:
En un sistema de puesta a tierra TN , uno de los puntos del generador o transformador está conectado a tierra, normalmente el punto de estrella en un sistema trifásico. El cuerpo del dispositivo eléctrico está conectado a tierra a través de esta conexión a tierra en el transformador. Esta disposición es un estándar actual para sistemas eléctricos residenciales e industriales, particularmente en Europa. [10]
El conductor que une las partes metálicas expuestas de la instalación eléctrica del consumidor se denomina tierra de protección ( PE ; ver también: Tierra ). El conductor que se conecta al punto neutro en un sistema trifásico , o que transporta la corriente de retorno en un sistema monofásico , se denomina neutro ( N ). Se distinguen tres variantes de sistemas TN:
Es posible tener suministros TN-S y TN-CS tomados 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 solo es posible en una red cuando el neutro es lo suficientemente robusto contra fallas, y la conversión no siempre es posible. El PEN debe reforzarse adecuadamente contra fallas, ya que un PEN de circuito abierto puede imprimir voltaje de fase completo en cualquier metal expuesto conectado a la tierra del sistema aguas abajo de la interrupción. La alternativa es proporcionar una tierra local y convertir a TT. El principal atractivo de una red TN es que la ruta de tierra de baja impedancia permite una fácil desconexión automática (ADS) en un circuito de alta corriente en el caso de una falla de línea a PE, ya que el mismo disyuntor o fusible funcionará para fallas LN o L-PE, y no se necesita un RCD para detectar fallas a tierra.
En un sistema de puesta a tierra TT (del latín terra-terra), la conexión a tierra de protección para el consumidor la proporciona un electrodo de tierra local (a veces denominado conexión de tierra firme ) y hay otro instalado independientemente en el generador. No hay un "cable de tierra" entre los dos. La impedancia del bucle de falla es más alta y, a menos que la impedancia del electrodo sea realmente muy baja, una instalación TT siempre debe tener un RCD (GFCI) como su 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. La TT siempre ha sido la opción preferida para aplicaciones especiales, como los sitios de telecomunicaciones que se benefician de la puesta a tierra sin interferencias. Además, las redes TT no plantean ningún riesgo grave en caso de rotura del neutro. Además, en lugares donde la energía se distribuye por encima de la cabeza, los conductores de tierra no corren el riesgo de activarse si algún conductor de distribución aérea se rompe, por ejemplo, por un árbol o una rama caídos.
En la era anterior a los RCD , el sistema de puesta a tierra TT no era atractivo para el uso general debido a la dificultad de organizar una desconexión automática confiable (ADS) en el caso de una falla de línea a PE (en comparación con los sistemas TN, donde el mismo disyuntor o fusible funcionará para fallas LN o L-PE). Pero como 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 una zona equipotencial de baja impedancia es poco práctica de mantener mediante unión, donde hay un cableado exterior significativo, como suministros a casas móviles y algunos entornos agrícolas, o donde una corriente de falla alta podría representar 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 los hogares. Esto puede imponer requisitos adicionales a los variadores de frecuencia y a las fuentes de alimentación conmutadas , que suelen tener filtros importantes que transmiten el ruido de alta frecuencia al conductor de tierra.
En una red informática (isolé–terre), el sistema de distribución eléctrica no tiene ninguna conexión a tierra o solo tiene una conexión de muy alta impedancia .
Si bien las normas 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 equipos y a los cables de puesta a tierra en circuitos derivados, y "conductor de electrodo de puesta a tierra" se utiliza para los conductores que unen una varilla de puesta a tierra, un electrodo o algo similar a un panel de servicio. El electrodo de puesta a tierra "local" proporciona "puesta a tierra del sistema" [13] en cada edificio donde se instala.
El conductor portador de corriente "conectado a tierra" es el "neutro" del sistema. Las normas australianas y neozelandesas utilizan un sistema de puesta a tierra múltiple de protección modificado (PME [14] ) denominado neutro conectado a tierra múltiple (MEN). El neutro se conecta a tierra en cada punto de servicio del consumidor, lo que hace que la diferencia de potencial del neutro se acerque a cero a lo largo de toda la longitud de las líneas de baja tensión . En la terminología IEC 60364, esto se denomina TN-CS. En América del Norte, se utiliza el término sistema de "neutro conectado 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 que no sean monofásicas), es decir, PN-S.
En la India, se utiliza un sistema de puesta a tierra con resistencia para la minería, según las normas de la Autoridad Central de Electricidad. En lugar de una conexión sólida de neutro a tierra, se utiliza una resistencia de puesta a tierra de neutro (NGR) para limitar la corriente a tierra a menos de 750 mA. Debido a la restricción de la 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 con conexión a tierra sólida, la corriente de falla a tierra puede ser tan grande 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]
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 este propósito se utilizan dispositivos de corriente residual (RCD, RCCB o GFCI). Anteriormente, se utilizaba un disyuntor de fuga a tierra . En aplicaciones industriales, se utilizan relés de fuga a tierra 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.
Además del cable de tierra, se pasa un cable piloto independiente desde el sistema de distribución/suministro de equipos para supervisar la continuidad del cable. Esto se utiliza en los cables de arrastre de la maquinaria minera. [19] Si el cable de tierra se rompe, el cable piloto permite que un dispositivo de detección en el extremo de la fuente interrumpa la alimentación de la máquina. Este tipo de circuito es imprescindible para los equipos eléctricos pesados portátiles (como las máquinas de carga, transporte y descarga) que se utilizan en minas subterráneas.
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 fiabilidad del suministro, la fiabilidad de la protección y el impacto en el equipo en presencia de un cortocircuito. Solo la magnitud de los cortocircuitos de fase a tierra, que son los más comunes, se ve afectada significativamente con la elección del sistema de puesta a tierra, ya que la ruta de la corriente está mayoritariamente cerrada a través de la tierra. Los transformadores de potencia trifásicos de 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.
Existen cinco tipos de puesta a tierra del neutro: [26]
En el caso de neutro sólido o directamente puesto a tierra, el punto estrella del transformador se conecta directamente a tierra. En esta solución, se proporciona un camino de baja impedancia para que la corriente de falla a tierra se cierre y, como resultado, sus magnitudes son comparables con las corrientes de falla trifásicas. [26] Dado que el neutro permanece al potencial cercano a tierra, las tensiones en las fases no afectadas se mantienen en niveles similares a los anteriores a la falla; por esa razón, este sistema se utiliza regularmente en redes de transmisión de alta tensión , donde los costos de aislamiento son altos. [27]
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 la tierra.
Con baja resistencia, el límite de corriente de falla es relativamente alto. En India, está restringido a 50 A para minas a cielo abierto según las Regulaciones de la Autoridad Central de Electricidad , CEAR, 2010, regla 100.
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.
En sistemas con neutro no puesto a tierra , aislado o flotante , como en los sistemas IT, no existe una conexión directa entre el punto estrella (o cualquier otro punto de la red) y la tierra. Como resultado, las corrientes de falla a tierra no tienen un camino que cerrar y, por lo tanto, tienen magnitudes despreciables. Sin embargo, en la práctica, la corriente de falla no será igual a cero: los conductores en el circuito, en particular 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 operando 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 en relación con la tierra alcanza el voltaje de operación normal, creando estrés 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 suponer un riesgo de seguridad importante: si la corriente supera los 4 A – 5 A, se desarrolla un arco eléctrico , que puede mantenerse incluso después de que se haya eliminado la falla. [28] Por ese motivo, se limitan principalmente a redes subterráneas y submarinas, y aplicaciones industriales, donde la necesidad de fiabilidad es alta y la probabilidad de contacto humano relativamente baja. En redes de distribución urbanas con múltiples alimentadores subterráneos, la corriente capacitiva puede alcanzar varias decenas de amperios, lo que supone un riesgo significativo para el equipo.
El beneficio de una corriente de falla baja 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]
Según las normas IEEE, las varillas de puesta a tierra están hechas de materiales como cobre y acero . Para elegir una varilla de puesta a tierra hay varios criterios de selección como: resistencia a la corrosión , diámetro en función de la corriente de falla , conductividad y otros. [30] Existen varios tipos derivados del cobre y el acero: cobre-unido, acero inoxidable, cobre sólido, acero galvanizado. En las últimas décadas, se han desarrollado varillas de puesta a tierra químicas para tierra de baja impedancia que contienen sales electrolíticas naturales. [31] y varillas de puesta a tierra de nano-fibra de carbono. [32]
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 protección contra el rayo (picas de tierra, conductores de tierra, conductores de corriente, barras colectoras , etc.).
Para instalaciones de alta tensión se utiliza soldadura exotérmica para conexiones subterráneas.
La resistencia del suelo es un aspecto importante en el diseño y cálculo de un sistema de puesta a tierra. Su resistencia determina la eficiencia de la desviación de corrientes no deseadas hacia el 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 el método de Schlumberger.
