DESPEJE DE FALLAS

DESPEJE DE FALLAS A TIERRA Y
CORTOCIRCUITOS
Eustace Soares
OBJETIVOS POR COMPRENDER
• Fallas a tierra e impedancia del circuito.
• Fundamentos de puesta a tierra de equipos, diseño de circuitos y
procedimientos de prueba.
• Elementos comunes en la eliminación de fallas a tierra y cortocircuitos.
• Dimensionamiento de los conductores de puesta a tierra de equipos.
• Propósito del conductor puesto a tierra en la puesta a tierra y unión
del sistema.
• Clasificaciones de tolerancia (aguante) del conductor.
La Sección 310-106 d)
310-106 d) Aislados. Los conductores deben ser aislados, a menos que específicamente
se requiera en otra parte de esta NOM que sean recubiertos o desnudos.
NOTA Véase 250-184 para el aislamiento de los conductores del neutro de un sistema
de alta tensión sólidamente puesto a tierra.
Requiere que los conductores estén aislados, pero permite que los conductores
cubiertos o desnudos se instalen donde esté específicamente permitido en el Código.
Los conductores sin conexión a tierra (fase o activo) deben tener un aislamiento con
base en el voltaje aplicado.
Las clasificaciones de voltaje típicas de los conductores son 600, 1000, 2000, 5000,
15,000, 25,000 y 35,000 volts.
Los conductores también están disponibles con clasificación de aislamiento mayor,
aunque estos se utilizan con mayor frecuencia para la distribución primaria de
energía eléctrica en lugar de para el cableado de las instalaciones.
Definiciones
Sobrecorriente: Cualquier corriente que supere la corriente nominal de los equipos o
la ampacidad de un conductor. La sobrecorriente puede provocarse por una
sobrecarga, un cortocircuito o una falla a tierra. (NFPA 70, NEC 2017).
NOTA: Una corriente en exceso de la nominal puede ser absorbida por determinados
equipos y conductores para un conjunto de condiciones dadas. Por eso, las reglas para
protección contra sobrecorriente son específicas para cada situación particular.
Cortocircuito: “Una conexión anormal (incluido un arco) de impedancia
relativamente baja, ya sea accidental o intencionalmente, entre dos puntos de
potencial diferente. Nota: El término falla o falla de cortocircuito se utiliza para
describir un cortocircuito ". (IEEE-100-1992; IEEE Std. Dictionary of Electrical an
Electronic Terms)
Falla a tierra: "Una conexión no intencional, conductora de la electricidad entre un
conductor sin conexión a tierra de un circuito eléctrico y los conductores que
normalmente no transportan corriente, envolventes metálicas, canalizaciones
metálicas, equipos metálicos o tierra". (NFPA 70, NEC 2017)
Sobrecarga: Operación de un equipo por encima de su capacidad normal, a plena
carga, o de un conductor por encima de su ampacidad que, cuando persiste durante
un tiempo suficientemente largo, podría causar daños o un calentamiento peligroso.
Una falla, como un cortocircuito o una falla a tierra, no es una sobrecarga (véase
Sobrecorriente). (NFPA 70, NEC 2017)
El término Sobrecorriente contempla:
Cortos circuitos,
Fallas a tierra y
Sobrecargas
Es importante considerar que los cortocircuitos y las fallas a tierra se originan por una
falla en el aislamiento, ya sea accidental o intencional, que proporciona una
trayectoria de impedancia relativamente baja y, por lo tanto, puede tener un flujo de
corriente significativo.
Por otro lado, una sobrecarga está en función de la carga (es la corriente que está
siendo tomada por la carga).
Una sobrecarga durante un tiempo prolongado puede provocar fallas en el
aislamiento, lo que puede dar origen a una falla a tierra o cortocircuito.
En otras palabras, lo que puede comenzar como una falla a tierra puede convertirse
rápidamente en un cortocircuito o lo que comienza como un cortocircuito puede
convertirse rápidamente en una falla a tierra.
Cuando se instala un dispositivo de protección contra sobrecorriente, el dispositivo
proporciona un nivel de protección para cada uno de los elementos que presente la
sobrecorriente.
En cambio cuando se proporciona protección contra cortocircuitos y fallas a tierra
para motor, el dispositivo solo está destinado a proporcionar protección para estos
dos elementos, y otro dispositivo debe proporcionar protección contra sobrecargas.
La Tabla 310-104 a) del NEC-2017 proporciona:
Aplicaciones de los conductores y sus aislamientos.
Nombre comercial, Tipo con letra de identificación como MI, temperatura máxima de
funcionamiento y una breve descripción de aplicaciones previstas.
También proporciona el aislamiento del conductor, tamaño en (AWG) y kcmil, grosor
en milésimas de pulgada y recubrimiento exterior, si lo hay.
Los conductores desnudos o cubiertos pueden usarse en ciertos casos.
Se permite que los conductores puestos a tierra de acometida no estén aislados bajo
las condiciones establecidas en 230-30 Excepción.
230-30 Excepción: Se permite que el conductor puesto a tierra no tenga aislamiento, en los
casos siguientes:
(1) Un conductor de cobre desnudo en una canalización.
(2) Un conductor de cobre desnudo directamente enterrado, si se estima que el cobre es
adecuado para las condiciones del suelo.
(3) Un conductor de cobre desnudo directamente enterrado, sin tener en cuenta las
condiciones del suelo, si forma parte de un cable especificado para uso subterráneo.
(4) Un conductor de aluminio o de cobre revestido de aluminio sin aislamiento o cubierta
individual, si forma parte de un cable especificado para uso subterráneo directamente
enterrado o dentro de una canalización.
Por lo general, se requiere que los conductores de entrada de acometida estén
aislados y se utilicen según lo dispuesto en 230-41.
230-41. Aislamiento de conductores de acometida. Los conductores de acometida que están
dentro o en el exterior del inmueble o alguna otra estructura, deben estar aislados.
Excepción: Se permite que haya un conductor puesto a tierra sin aislamiento, en las siguientes
condiciones:
(1)
Un conductor de cobre desnudo en una canalización o parte de un ensamble de
acometida.
(2)
Un conductor de cobre desnudo directamente enterrado, si se considera que el cobre
es adecuado a las condiciones del suelo.
(3)
Un conductor de cobre desnudo, directamente enterrado con independencia de las
condiciones del suelo, si forma parte de un cable identificado para uso subterráneo.
(4)
Un conductor de aluminio o de aluminio recubierto de cobre sin aislante o cubierta
individual, si forma parte de un cable identificado para su uso en una canalización
subterránea o directamente enterrado.
(5) Conductores desnudos usados en un canal auxiliar
Pero se permite que los conductores puestos a tierra no estén aislados de acuerdo
con cualquiera de las excepciones a 230-41.
Por otro lado, los conductores de puesta a tierra de equipos de tipo cable pueden
aislarse, cubrirse o desnudarse con base en 250-118 (1) y 250-119.
250-118. Tipos de conductores de puesta a tierra de equipos. El conductor de puesta a tierra
de equipos, llevado junto con los conductores del circuito o que los encierra, debe ser uno o
más o una combinación de los siguientes:
(1) Un conductor de cobre, aluminio o aluminio recubierto de cobre. Este conductor debe
ser sólido o cableado; aislado, cubierto o desnudo; en forma de un alambre o una
barra de cualquier forma.
250-119. Identificación de conductores de puesta a tierra de equipos. A menos que se exija
algo diferente en esta NOM, se permitirá que los conductores de puesta a tierra de equipos
estén desnudos, cubiertos o aislados. Los conductores de puesta a tierra de equipos, cubiertos
o aislados individualmente deben tener un acabado exterior continuo de color verde o verde
con una o más franjas amarillas, excepto como se permite en esa sección. Los conductores
con aislamiento o cubierta individual verde, verde con una o más franjas amarillas, o
identificados como se permite en esta sección no se deben usar como conductores de circuito
puestos a tierra o no puestos a tierra.
Algunas reglas del Código requieren conductores de puesta a tierra de equipos
aislados para aplicaciones específicas, como ciertos equipos eléctricos asociados con
piscinas y en áreas de atención al paciente de ciertas instalaciones de atención
médica.
No puede existir ningún peligro como un cortocircuito o una falla a tierra en un
sistema de distribución a menos que haya una falla de aislamiento del conductor sin
conexión a tierra; se deduce que se deben tomar todas las precauciones para
proporcionar el mejor aislamiento posible consistente con una instalación económica.
Se deben seguir cuidadosamente las buenas prácticas de instalación para garantizar
que el aislamiento del conductor no se dañe durante el proceso de instalación.
El daño incluye cortes, abrasiones o estiramientos del aislamiento. El aislamiento del
conductor puede dañarse fácilmente con las operaciones de tracción, si las
canalizaciones no se limpian antes de la instalación de los conductores, si hay curvas
excesivas en el recorrido, o si los tirones largos o pesados requieren el uso de equipos
de tracción de servicio pesado.
Además, si el aislamiento del conductor se deteriora, el peligro solo puede existir
mientras el circuito permanezca energizado. Se debe hacer todo lo posible para
desenergizar, tan rápido como sea posible, cualquier circuito en el cual se haya
desarrollado un cortocircuito o falla a tierra.
Cuando se considera por primera vez, el uso de un conductor de puesta a tierra de
equipos de cobre o aluminio, por sí solo, puede parecer un método ideal para obtener
una trayectoria de baja impedancia. Lo será en la mayoría de los casos, pero esa no
es siempre la mejor opción.
Cada circuito debe estudiarse en forma individual en relación con el tamaño y la
longitud del circuito, la magnitud de la corriente de falla a tierra, la clasificación de su
dispositivo de protección contra sobrecorriente y el tamaño del envolvente del
conductor antes de llegar a cualquier conclusión de diseño o ingeniería.
Fundamentos de conductores de puesta a tierra de equipos
en el diseño de circuitos
Para obtener una baja impedancia del sistema de puesta a tierra de equipos en un
sistema de CA, los conductores del circuito y el conductor de puesta a tierra de
equipos generalmente deben mantenerse juntos en todo momento [ver figura 11.1],
250-134 b) y 300-3 b)].
250-134. Equipo sujetado en su lugar o conectado usando métodos de alambrado permanente (fijo)–
Puesta a tierra.
b) Con conductores de circuito. Mediante conexión con un conductor de puesta a tierra de equipos,
contenido dentro de la misma canalización, cable, o que de otra forma se lleve junto con los
conductores del circuito.
300-3. Conductores.
b) Conductores del mismo circuito. Todos los conductores del mismo circuito y, el conductor puesto a
tierra, todos los conductores de puesta a tierra de los equipos y los conductores de unión, cuando se
usen, deben estar instalados en la misma: canalización, canal auxiliar, charola portacables,
ensamble de conductores aislados en envolventes, zanja, cable o cordón, a menos que se
permita algo diferente, de acuerdo con (1) a (4) siguientes.
El conductor de puesta a tierra del equipo puede, por supuesto, ser un conductor de
cobre o aluminio.
El conductor de puesta a tierra de equipos también puede ser el envolvente metálico
de los conductores, canalizaciones, charolas, blindajes de cables o ductos de cables,
donde las canalizaciones, charolas, blindaje de cables o ductos de cables califican
como conductores de puesta a tierra de equipos de acuerdo con 250-118 para dicho
uso.
En un sistema de distribución eléctrica de ca, ya sea puesto a tierra o no puesto a
tierra, la reactancia inductiva es clave en la dirección de la corriente de retorno en
una trayectoria paralela cercana hacia la fuente de potencia de salida del conductor.
Además de la resistencia, se asocia un valor de reactancia inductiva con cada
conductor en un sistema de corriente alterna.
La reactancia inductiva (expresada en ohms[Ω]) aumenta a medida que aumenta el
espacio entre los conductores del circuito.
Esto significa que la reactancia inductiva de una trayectoria de corriente paralela a los
conductores de fase ofrece una impedancia total menor a la corriente de falla a tierra
que cualquier otra trayectoria de corriente, independientemente de la otra
trayectoria de corriente que tenga una resistencia más baja.
La reactancia inductiva es el factor predominante en la determinación de la división
de corriente en trayectorias de retorno de tierra paralelos en construcciones de
circuitos mayores o de alta capacidad.
Esto se ha demostrado mediante pruebas reales en las que se observa que la mayor
parte de las corrientes de retorno a tierra toman físicamente una trayectoria cercana
al conductor de corriente de salida.
(Electrical Power Distribution for Industrial Plants, 1954 AIEE)
Por lo general, la canalización metálica que encierra los conductores proporciona una
excelente ruta de retorno de falla. La presencia de material magnético (hierro o
acero) en el envolvente de los conductores de potencia (canalización) introduce
efectos inductivos adicionales que tienden a confinar las corrientes de retorno del
conductor de puesta a tierra de equipos dentro del recinto magnético.
La instalación de un conductor de puesta a tierra de equipos externo para cualquier
longitud significativa generalmente no es aceptable y en realidad es bastante ineficaz.
Cuando se utilizan conductores de unión externos, generalmente están limitados a
una longitud de 1.8 m.
Las conexiones a estructuras de construcción de acero cercanas, en un esfuerzo por
servir como un medio de puesta a tierra del equipo, son igualmente ineficaces y están
prohibidas por 250-136 a).
250-136. Equipos considerados puestos a tierra. Bajo las condiciones especificadas en (a) y (b), las
partes metálicas del equipo que normalmente no transportan corriente se deben considerar puestas
a tierra.
a) Equipo sujetado a soportes metálicos puestos a tierra. Equipo eléctrico sujetado a, y en
contacto eléctrico con, un bastidor o estructura metálica provista para su soporte y conectada
a un conductor de puesta a tierra de equipos por uno de los medios indicados en 250-134.
Para equipos de corriente alterna, no se debe usar la estructura metálica de un edificio como el
conductor de puesta a tierra de equipos requerido.
La omisión intencional o accidental del uso de la envolvente metálica del conductor
como conductor de puesta a tierra de equipos puede dar lugar a grandes tensiones
inducidas en estructuras metálicas cercanas, que pueden aparecer como un peligro
de descarga peligrosa o corrientes circulantes no deseadas.
Solo mediante la instalación de un conductor interno de puesta a tierra de equipos,
en paralelo con la canalización, se puede reducir la corriente transportada por la
canalización.
Las uniones entre las canalizaciones y envolventes metálicos se deben realizar de
forma limpia y competente y se deben apretar con llave, utilizando herramientas
adecuadas, para que la canalización funcione de manera efectiva como un conductor
de puesta a tierra de equipos y como una trayectoria efectiva para la corriente de
falla.
Procedimiento de prueba de corriente de falla
Como se ilustra en la figura 11.2,
Se realizó una instalación especial empleando una canalización de acero rígido de
65mm (2½ pulgadas) y conductores de cobre 4/0 AWG para este procedimiento.
Se instaló en un edificio utilizado anteriormente para pruebas de cortocircuito porque
el edificio tenía una construcción de columnas de acero pesado, y todas las columnas
estaban unidas a una extensa malla de tierra, compuesta de conductores de cobre
desnudo de 250 kcmil.
La canalización se apoyó en aisladores a lo largo de los 30 m de longitud. La
canalización estaba a aproximadamente 1.5 m de una línea de columnas de
construcción. El conductor externo 4/0 AWG estaba separado unos 300 mm de la
canalización en el lado opuesto a las columnas del edificio.
La configuración tenía la intención de simular un circuito alimentador eléctrico típico,
que se puede encontrar en muchas instalaciones comerciales e industriales.
Permitió el estudio de una amplia variedad de arreglos de puesta a tierra de equipos.
En todos los casos, la corriente de suministro se inyectaba por el conductor "A" que
pasaba por la canalización.
El conductor "B" sirvió como conductor interno de puesta a tierra del equipo.
El conductor "C" se conectó a la canalización metálica de acero, el conductor "G" se
conectó a las columnas de construcción de acero y el conductor "H" fue el conductor
de puesta a tierra de equipos externo espaciado a unos 300 mm de y paralelo a la
canalización.
Se usó una barra de cobre para llevar a cabo el cortocircuito en el extremo más
alejado de la canalización.
Con esta disposición, fue posible simular varias condiciones de falla en el extremo
derecho y verificar varias trayectorias de retorno para la corriente de falla.
Pruebas realizadas con baja corriente
Se realizó una serie de pruebas a baja corriente de 200 y 350 A, utilizando un
transformador de una máquina de soldar de ca como fuente de energía de 60 Hz.
A estas magnitudes de baja corriente, la corriente podría mantenerse durante
períodos prolongados.
Las mediciones de voltaje se realizaron con medidores indicadores de alta calidad.
Las mediciones de corriente se realizaron con un amperímetro de gancho.
Pruebas realizadas con alta corriente
Se realizó una segunda serie de pruebas con alta corriente, aproximadamente 10,000
amperes utilizando un transformador trifásico de 60 XkHz y 450 kVA con una fuente de
energía secundaria de 600 V.
La conmutación se realizó a la tensión primaria de 13 800 V. Se usó un relevador de
inducción para controlar la duración de la corriente a aproximadamente ¼ de
segundo.
Se utilizó un osciloscopio para todas las mediciones de corriente y voltaje.
Resultados de la prueba de corriente de falla
Los resultados de las pruebas realizadas se muestran en la Tabla 11.1.
El número de prueba (por ejemplo, A2) se da para fines de referencia.
Las siguientes dos columnas muestran las conexiones de los conductores utilizadas
para determinar la trayectoria actual (por ejemplo, en A y en C).
A continuación, se muestran los valores de corriente, primero la corriente de entrada
total a través del conductor A (IA = 350 A), y luego la corriente de retorno a través de
la canalización (IC = 350 A) y su porcentaje del total (100 %).
Las otras columnas con un encabezado "I", junto con un subíndice que indica el
circuito, muestran la cantidad de corriente que regresa sobre otras trayectorias
posibles.
El análisis confirma de manera contundente que solo mediante el uso de un
conductor de puesta a tierra de equipos interno se puede desviar una fracción
considerable de la corriente de retorno de la canalización.
A pesar de la resistencia extremadamente baja del marco estructural del edificio, fue
ineficaz para reducir la magnitud de la corriente de retorno en la canalización (véanse
las pruebas A6, A7, B6 y B7).
Se observaron algunos efectos secundarios interesantes en el curso de las pruebas.
La primera prueba de alta corriente produjo chisporroteo de aproximadamente la
mitad de los acoplamientos en la trayectoria de la canalización.
En una de las pruebas se observó una corriente que semejaba un “soplete" de chispas
que quemaron muchos de las roscas de la canalización. Varios incendios pequeños
encendieron material combustible cercano, lo que habría causado un grave peligro
de incendio si no se hubiera extinguido rápidamente.
La trayectoria de la canalización fue instalada por una cuadrilla especializada que se
dedica regularmente a dicho trabajo, y aseguraron que las uniones se habían
apretado según la práctica normal y tal vez un poco más.
Se colocó un puente corto de cobre (alambre) 4/0 AWG alrededor de esta unión, pero,
aun así, continuó expulsando algunas chispas en este acoplamiento en pruebas
posteriores.
El resto de los acoplamientos no arrojaron más chispas durante las pruebas
posteriores. Aparentemente, se habían producido pequeñas soldaduras en la
primera prueba.
En una prueba de alta corriente, la terminación de la canalización se modificó para
simular una conexión a un gabinete de acero o caja de conexiones (ver figura 11.3).
El “bushing” se apretó con los dedos. En una prueba, con aproximadamente 11 000A
durante aproximadamente ¼ de segundo, se produjo una lluvia de chispas en forma
de abanico paralela a la placa.
En el proceso, se produjo una soldadura y las partes se separaron solo con
considerable dificultad, con el uso de llaves y un martillo.
Esto sugirió que una inyección repetida (de corriente) no habría producido disturbio
(lluvia de chispas).
“Durante la prueba de alta corriente B10 (circuito en la canalización abierto), se
observó una lluvia de chispas en una columna de construcción intermedia.
Una inspección cuidadosa reveló que el origen estaba en un lugar en el que una
tubería de agua pasaba a través de un corte en el entramado de la viga de acero
involucrada.
Aquí hay evidencia de los efectos indeseables de forzar la corriente de cortocircuito a
buscar trayectoria de retorno alejadas del conductor de salida.
La gran separación entre la corriente de salida y la de retorno crea un poderoso
campo magnético que se extiende lejos en el espacio alrededor de los conductores
que transportan corriente”.
Some Fundaments of Equipment-Grounding Circuit Design
by R.H. Kaufmann, Paper 54-244; 1954 AIEE
Análisis de la corriente de falla en el circuito de estudio
La reactancia del circuito, incluido el conductor B, será la más baja. El siguiente será
el tubo más interno de la canalización, seguido de otros en orden sucesivo hasta que
se alcance el tubo exterior.
La inductancia de estos elementos tubulares de la canalización de acero adquiere una
importancia inusual debido a la alta permeabilidad magnética.
El siguiente en el espacio (impedancia) es el conductor de puesta a tierra externo (de
equipos) (conductor H) y, por último, los miembros estructurales del marco del
edificio y sus conductores de puesta a tierra enterrados debajo del nivel del piso.
“En la prueba B10, tanto el conductor de puesta a tierra a tierra exterior [de equipos]
(conductor H) como el marco del edificio (terminal G) se conectaron para
proporcionar caminos paralelos para la corriente de retorno, pero el circuito de la
canalización se dejó abierto (terminal C no conectada).
Los resultados de la prueba evidencian claramente las poderosas fuerzas que tienden
a mantener la corriente en el circuito de la canalización.
Teniendo en cuenta que a través de las conexiones abiertas en la terminal C, se
requiere un voltaje de 146 V (o, más significativamente, más del 50 por ciento del
voltaje de conducción generado) para forzar que la corriente regrese a través del
conductor H y el marco del edificio en paralelo.
Este voltaje podría ser un grave peligro de descarga.
Además, a menos que la canalización esté bien aislada en toda su longitud (lo que
generalmente es imposible o poco práctico en instalaciones comerciales o
industriales típicas), habría un número significativo de chispas en varios puntos que
constituyen un grave peligro de incendio.
Fue durante esta prueba que se produjo una lluvia de chispas entre los miembros
magnéticos en el sistema del edificio que fue causada simplemente por el fuerte
campo magnético que se extendía lejos de los conductores de energía.
Conclusiones sobre el estudio de la trayectoria de la
corriente de falla
La importancia de esta investigación apunta claramente a las conclusiones
presentadas previamente.
• El uso efectivo de la canalización en el sistema de puesta a tierra de equipos
es fundamental.
• Se necesita trabajo adicional para desarrollar uniones que no "arrojen fuego"
durante las fallas.
• Mejorar la efectividad requiere una mayor conductividad en el recinto del
conductor o el uso de un conductor de puesta a tierra interno (de equipos).
• Se necesitan conductores de electrodos de puesta a tierra que conecten la
estructura del edificio a los electrodos de puesta a tierra (puesta a tierra) para
transmitir corrientes de rayos o corrientes similares que busquen un camino
hacia la tierra, pero estos conductores desempeñarán un papel insignificante
en el rendimiento del sistema de puesta a tierra de equipos.
• Por supuesto, la importancia de una pueta a tierra adecuada de equipos
aumenta con los circuitos de alimentación de mayor tamaño y la disponibilidad
de corrientes de cortocircuito más altas.
Elementos comunes de la trayectoria de la corriente de falla
La eliminación de fallas involucra una o dos partes, dependiendo de si el sistema de
suministro está puesto a tierra o no.
En un sistema de distribución puesto a tierra, hay dos partes:
(a) el conductor del sistema puesto a tierra y
(b) el conductor de puesta a tierra de equipos y la unión con las envolventes metálicas
de los envolventes del conductor del circuito.
En un sistema no puesto a tierra, el sistema de puesta a tierra cubre solo
(b) el conductor de puesta a tierra de equipos y la unión con las envolventes metálicas
de los envolventes del conductor del circuito.
Trayectoria efectiva para la corriente de falla
Para tener una ruta efectiva para la corriente de falla tanto para sistemas con puesta
a tierra como para sistemas no puestos a tierra, la trayectoria de la corriente de falla
debe:
(1) Ser eléctricamente continua;
(2) Debe tener una amplia capacidad para conducir de manera segura cualquier
corriente de falla que pueda presentarse; y
(3) Tener la impedancia más baja posible para limitar el voltaje a tierra y
(4) Facilitar la operación de dispositivos de protección contra sobrecorriente en el
circuito [ver 250-4 a) (5) y 250-4 b) (4)].
250-4. Requisitos generales para puesta a tierra y unión.
a) Sistemas puestos a tierra.
5) Trayectoria efectiva de la corriente de falla a tierra. Los equipos y el alambrado eléctrico y otros
materiales eléctricamente conductivos que tienen la probabilidad de energizarse, se deben instalar de
forma que establezcan un circuito de baja impedancia, que facilite la operación del dispositivo de
protección contra sobrecorriente o del detector de falla a tierra para sistemas puestos a tierra a través
de una alta impedancia.
Deben tener la capacidad de transportar con seguridad la corriente máxima de falla a tierra
que probablemente sea impuesta sobre él desde cualquier punto del sistema de alambrado en donde
pueda ocurrir una falla a tierra hasta la fuente de alimentación eléctrica. La tierra no se debe
considerar como una trayectoria efectiva para la corriente de falla a tierra.
CAPAS DE TIERRA
De acuerdo con
ANSIEEE 142,
Práctica
recomendada para la
conexión a tierra de
sistemas de energía
industriales y
comerciales (Libro
Gren) 4.1.1, la
resistencia del suelo
hacia afuera de una
varilla es igual a la
suma de las
resistencias en serie
de las capas de
tierra.
La capa más
cercana a la varilla
tiene la mayor
resistencia y cada
capa sucesiva tiene
mayores áreas y
resistencias
progresivamente
más bajas.
No se preocupe si no
comprende esta
declaración, solo
revise la tabla a
continuación.
b) Sistemas no puestos a tierra.
4) Trayectoria para la corriente de falla. Los equipos y el alambrado eléctrico y otros materiales
eléctricamente conductivos que tienen probabilidad de energizarse, se deben instalar de forma que
establezcan un circuito de baja impedancia desde cualquier punto del sistema de alambrado hasta la
fuente de alimentación para que facilite la operación de los dispositivos de protección contra
sobrecorriente si ocurriera una segunda falla a tierra desde una fase diferente en el sistema de
alambrado. El terreno natural o el suelo o la Tierra no se deben considerar como una trayectoria efectiva
para la corriente de falla a tierra.
La definición de trayectoria de la corriente de falla a tierra también proporciona esta
misma información en relación con la función de esta trayectoria [ver definición de
250-2].
250-2. Definiciones.
Trayectoria efectiva de la corriente de falla a tierra. Trayectoria construida intencionalmente,
eléctricamente conductora, de baja impedancia, diseñada para transportar la corriente bajo condiciones
de falla a tierra desde el punto de falla a tierra en un sistema de alambrado hasta la fuente de
alimentación eléctrica y que facilita el funcionamiento del dispositivo de protección contra
sobrecorriente o de los detectores de falla a tierra en sistemas puestos a tierra de alta impedancia.
“Impedancia suficientemente baja” significa, para efectos prácticos, que la trayectoria
de puesta a tierra del equipo y los conductores del circuito para un sistema de ca
siempre deben estar dentro del mismo envolvente metálico, como una canalización,
ducto, charola o cable blindado.
El envolvente metálico (como una canalización o cable) bajo ciertas condiciones
puede usarse para proporcionar la trayectoria de puesta a tierra de equipos para los
conductores del circuito dentro de él.
Además, cuando se utiliza un método de alambrado de canalización no metálica para
un sistema de ca, todos los conductores del circuito, incluido el conductor de puesta
a tierra del equipo, deben estar en la misma canalización.
El Código no prescribe una impedancia máxima del circuito de falla a tierra para
sistemas puestos a tierra o no puestos a tierra, pero establece en 250-4 a) (5) un
requisito de rendimiento que debe ser lo suficientemente bajo para facilitar el
funcionamiento de los dispositivos de protección de circuito.
Esta trayectoria debe tener una impedancia no mayor que el nivel que permite que
el interruptor o fusible alcance su rango de operación de disparo instantáneo.
La Tabla 11.2 proporciona algunos ejemplos de la impedancia máxima para el circuito
completo de falla a tierra, suponiendo un sistema de 120 V a tierra y un nivel de
disparo cinco veces mayor que la clasificación del dispositivo de sobrecorriente.
Esto hará que el dispositivo de sobrecorriente funcione rápidamente para eliminar la
falla del sistema.
Cualquier corriente de falla menor que el valor operativo instantáneo extenderá o
retrasará, el tiempo de apertura del dispositivo de sobrecorriente.
Cada fabricante de interruptores y fusibles publica características operativas o curvas
de tiempo-corriente para sus productos (por ejemplo, consulte las figuras 11.4 y
11.5).
Estas curvas de disparo deben revisarse cuidadosamente para asegurar que la
trayectoria de falla a tierra tenga una impedancia lo suficientemente baja como para
permitir que el dispositivo de sobrecorriente funcione rápidamente para reducir el
daño térmico al circuito y al equipo.
Como se puede ver al revisar estas curvas de disparo, los interruptores automáticos
tienen la misma curva de disparo para configuraciones de uno, dos o tres polos.
Además, el mismo tipo de interruptores termomagnéticos (circuit breakers) tiene
curvas de disparo ligeramente diferentes para diferente clasificación en amperes de
los interruptores termomagnéticos (circuit breakers).
Para determinar la corriente necesaria para la mejor protección contra fallas, hay que
identificar el múltiplo de la clasificación del interruptor termomagnético en el que
alcanza su clasificación de disparo instantáneo.
En este nivel de disparo no hay retraso de tiempo intencional en la operación del
interruptor de circuito.
El nivel de disparo instantáneo es donde la curva de disparo es una línea vertical.
Se debe realizar una revisión similar de la tabla de características de operación del
fusible para seleccionar un circuito de falla a tierra que resultará en una operación
instantánea del fusible.
La curva característica de tiempo-corriente de los fusibles a partir de un valor de cinco
a seis veces la capacidad del fusible indica un tiempo de despeje de aproximadamente
un segundo y un tiempo muy inferior a un ciclo para valores de 50 veces la capacidad
del fusible.
Un estudio adicional indica que los fusibles limitadores de corriente de alta capacidad
de interrupción tienen un efecto de limitación de corriente definido a valores tan altos
como cincuenta veces la capacidad del fusible.
Algunos diseños de ingeniería pueden incorporar el concepto de una impedancia
máxima para que la corriente de falla a tierra sea al menos cinco veces la clasificación
del dispositivo de sobrecorriente para proporcionar la operación del dispositivo cerca
de los valores de disparo instantáneos.
Por ejemplo, refiriéndose a la figura 11-5, si el dispositivo de sobrecorriente es de
70A, debe haber no menos de 350 A (5 en el eje "X" de la curva de tiempo-corriente)
de corriente en el circuito para que dispare el circuito con falla en un tiempo
razonable.
Para algunos dispositivos de sobrecorriente, una corriente de cinco veces la
clasificación del dispositivo podría no alcanzar el rango de disparo instantáneo del
dispositivo. En la figura 11-4, observamos que, con cinco veces la capacidad del
fusible de 60 A, o 300 A, el tiempo de operación de los fusibles es de
aproximadamente 15 a 25 segundos.
Para este fusible, se necesita un nivel de corriente de falla a tierra de trece veces la
capacidad del fusible, 800 A, para el disparo instantáneo.
En la mayoría de las condiciones de falla a tierra, este nivel de corriente se logra
fácilmente. En general, cuanto más tiempo exista una corriente excesiva en el
circuito, se tendrá un mayor estrés térmico y mecánico en el aislamiento del
conductor.
Despejando cortocircuitos
El método empleado para depejar un cortocircuito es el mismo independientemente
de si el sistema está puesto a tierra o no.
Esencialmente, implica colocar un dispositivo de sobrecorriente en serie con cada
conductor de circuito sin conexión a tierra (figura 11.6).
En el caso de un cortocircuito, como una falla de conductor a conductor, las palabras
"tan rápido como sea posible" significan un período de tiempo muy corto como una
fracción de ciclo (4 a 8 milisegundos) dependiendo de la magnitud de corriente de
cortocircuito y las características del dispositivo de sobrecorriente.
Los cortocircuitos suelen tener trayectoria de falla con muy baja impedancia. El
fusible limitador de corriente de alta capacidad de interrupción lo consigue
automáticamente dentro de prácticamente todos los rangos de valores de corriente
de cortocircuito.
Además, los interruptores (circuit breakers) limitadores de corriente están
disponibles en una amplia variedad de fabricantes.
Cuando se aplican adecuadamente, estos dispositivos limitadores de corriente
reducen significativamente el daño térmico y mecánico a los equipos eléctricos en
caso de cortocircuito.
La información sobre fusibles limitadores de corriente y su correcta aplicación están
cubiertos en la especificación de productos de Underwriters Laboratories bajo el
código de categoría de JCQR.
Esta sección indica: “El término limitación de corriente indica que un fusible, cuando
se prueba en un circuito capaz de suministrar una corriente de cortocircuito específica
(amperes RMS simétricos) al voltaje nominal, comenzará a fundirse dentro de los 90
grados eléctricos y se despejará el circuito cuando alcance los 180 grados eléctricos
(½ ciclo).
“Debido a que el tiempo requerido para que un fusible se funda depende de la
corriente disponible del circuito, un fusible que puede limitar la corriente cuando se
somete a una corriente de cortocircuito específica (amperes rms simétricos) puede
no limitar la corriente en un circuito de corriente máxima disponible menor".
Fuses (JCQR), Guide Information for Electrical Equipment - 2013, (Underwriters
Laboratories, Northbrook, IL, 2004), p. 211.
Un interruptor (circuit breaker) limitador de corriente se define en la especificación
de productos de Underwriters Laboratories bajo el código de categoría de
información DIVQ como, “Aquel que no emplea un elemento fusible y que cuando
opera dentro de su rango de limitación de corriente, limita la corriente que circula
I²t (Corriente al cuadrado por el tiempo) a un valor menor que I² t de ½ ciclo de la
corriente simétrica posible.
Los interruptores (circuit breakers) limitadores de corriente están marcados como
"limitadores de corriente" y están marcados con las características de la corriente de
paso permitida o se indica dónde se puede obtener dicha información ".
Circuit Breakers, Molded-Case and Circuit Breaker Enclosures (DIVQ), Guide
Information for Electrical Equipment - 2013, (Underwriters Laboratories,
Northbrook, IL, 2007), p 107.
Los interruptores (circuit breakers) limitadores de corriente están cubiertos en
Underwriters Laboratories 'Productspec) bajo el código de categoría de DIRW. Se
describen como "Aquellos que están diseñados para usarse junto con circuit breakers
específicos y para conectarse directamente a los terminales del lado carga de los
circuits breakers.
Contienen elementos fusibles cuya función es incrementar la capacidad de
interrupción de la corriente de falla de la combinación que está diseñada para usarse
de la misma forma como cuando se instalan circuit breakers en la acometida y como
protección de circuito derivado. Los limitadores tienen una capacidad nominal de 600
V o menos.”
Circuit Breaker Current Limiters (DIRW), Guide Information for Electrical Equipment
2013, (Underwriters Laboratories, Northbrook, IL, 2004), p.106.
Es muy importante seguir cuidadosamente las instrucciones de los fabricantes al
aplicar fusibles o circuit breakers limitadores de corriente.
En algunos casos, dependiendo de la corriente de falla disponible en el punto de la
falla, este equipo podría no proporcionar limitación de corriente.
Esto se debe a la naturaleza de tiempo inverso de estos dispositivos de
sobrecorriente.
El tiempo inverso significa que a medida que aumenta la cantidad de corriente a
través del dispositivo, el tiempo de funcionamiento del dispositivo se reduce.
Los dispositivos de sobrecorriente ven la corriente de falla en los rangos de operación
más bajos como una carga y reaccionan mucho más lentamente que en su rango de
limitación de corriente.
Clasificación de combinaciones en serie
Algunas instalaciones de fusibles o circuit breakers se llevan a cabo como una
configuración de combinación en serie, es decir, dos o más fusibles o circuit breakers
en serie para el circuito que se protege en condiciones de cortocircuito.
Los dispositivos que han probado su compatibilidad operativa pueden estar marcados
por los fabricantes con una clasificación de combinación en serie.
En este caso, generalmente la clasificación de interrupción del dispositivo de
sobrecorriente aguas abajo está por debajo de la corriente de falla que está disponible
en sus terminales de línea, mientras que el dispositivo de sobrecorriente más cercano
a la fuente tiene una clasificación de interrupción igual o superior a la corriente de
falla que está disponible en sus terminales de línea.
Cuando se instala un sistema clasificado en serie, solo el equipo que se ha probado
para determinar que es adecuado puede instalarse de esta manera.
Esto se determina por referencia a la identificación del fabricante de los componentes
en las calcomanías ubicadas en el equipo.
Para obtener información adicional, consulte "Interacción de energías en
combinaciones de circuit breakers y fusibles".
1991 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Volume II. The Institute of
Electrical and Electronics Engineers, Inc., © 1954 AIEE (now IEEE), 445 Hoes Lane,
PO Box 1331, Piscataway, NJ 08855-1331.
Ya sea que la corriente de falla sea un cortocircuito o una falla a tierra, los dispositivos
de sobrecorriente antes del punto de falla verán la corriente de falla completa.
Si se instala un dispositivo de protección contra sobrecorriente en el punto donde el
conductor recibe su suministro, como lo requiere 240-21, proporcionará la protección
contra cortocircuitos necesaria.
240-21. Ubicación en el circuito. Se debe proporcionar protección contra sobrecorriente en cada
conductor de fase del circuito, y debe estar ubicada en el punto en el que los conductores reciben su
alimentación, excepto como se especifica de (a) hasta (h) siguientes.
Los conductores alimentados de acuerdo con (a) hasta (h) no deben alimentar otro conductor, excepto
a través de un dispositivo de protección contra sobrecorriente que cumpla los requisitos de 240-4.
La clasificación del dispositivo de sobrecorriente se basa en 240-4
Y las clasificaciones de los dispositivos de protección de sobrecorriente normalizados que figuran en
la sección 240-6 a).
240-6. Capacidades estandarizadas de fusibles e interruptores automáticos.
a) Fusibles e interruptores automáticos de disparo fijo. Los valores de corriente normalizados para
los fusibles e interruptores automáticos de circuito de tiempo inverso, son: 15, 16, 20, 25, 30, 32, 35,
40, 45, 50,
60, 63, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800,
1000,
1200, 1600, 2000, 2500, 3000, 4000, 5000 y 6000 amperes. Los valores en amperes estandarizados
adicionales para fusibles deben ser de 1, 3, 6, 10 y 601. Se permitirá el uso de fusibles e interruptores
automáticos de tiempo inverso con valores en amperes no estandarizados.
El requisito básico es que los conductores estén protegidos de acuerdo con su
ampacidad nominal con base en lo establecido en 310-15
310-15. Ampacidad para conductores con tensión de 0-2000 volts.
a) Generalidades
1) Tablas o supervisión de ingeniería. Se permitirá determinar la ampacidad de los conductores
mediante Tablas, como se establece en 310-15 (b) o bajo la supervisión de ingeniería, como se
establece en 310-15(c).
NOTA 1: En las ampacidades proporcionadas en esta sección no se tiene en cuenta la caída de tensión.
Véase 210-19(a), Nota 4, para circuitos derivados y 215-2(a) Nota 2 para alimentadores.
…
Despejando fallas a tierra
Un circuito de falla a tierra es diferente a un cortocircuito.
En una falla a tierra, puede haber una impedancia tan alta del circuito con falla que el
factor de control de la corriente es la impedancia del circuito de falla a tierra.
Esto se debe a que la falla a tierra es una falla de arco que presenta una alta
impedancia en el propio arco o para circuitos de mayor ampacidad, por ejemplo,
mayores de 100 A, la mayor parte de la impedancia puede ser la trayectoria (s) de
retorno de falla a tierra.
En los circuitos con ampacidades mayores, esto se debe a que el conductor de puesta
a tierra del equipo es más pequeño que los conductores no puestos a tierra que
suministran la falla a tierra. En este caso, la única parte que representa la capacidad
de cortocircuito disponible es su capacidad para mantener el voltaje.
En algunos circuitos, la cantidad de corriente en un circuito con falla a tierra no
depende de la capacidad disponible del sistema, sino de su capacidad para mantener
el voltaje completo durante una falla a tierra (ver figura 11.7).
Cuando se trata de eliminar una falla a tierra, dos factores afectan la corriente, estas
son: (1) la impedancia del circuito y (2) la corriente de cortocircuito disponible en el
sistema.
Se puede tolerar una caída de voltaje relativamente grande en el conductor de puesta
a tierra de equipos.
La impedancia del circuito completo de falla a tierra, desde la fuente hasta el punto
de falla y de regreso a la fuente, nunca debe ser mayor que lo que permitiría la
cantidad mínima de corriente necesaria para que el dispositivo de sobrecorriente
funcione dentro de su rango instantáneo [Revisar las características de operación
curva tiempo-corriente para que el dispositivo de sobrecorriente para determinar el
valor correcto] (ver figuras 11.4 y 11.5).
Esto proporciona un factor de seguridad que permite la impedancia variable en el
punto de la falla.
Algunos dispositivos de sobrecorriente operan en su rango de corriente instantánea
de aproximadamente cinco veces el valor nominal del dispositivo de sobrecorriente.
Por ejemplo, algunos dispositivos de sobrecorriente de 50 A tienen un disparo
instantáneo de aproximadamente 250 A.
Esto proporciona un factor de seguridad para permitir la impedancia variable en el
punto de la falla.
En otros casos, un dispositivo de 50 A puede tener un disparo instantáneo de seis a
diez veces la clasificación del dispositivo de sobrecorriente.
Esta es una razón para verificar siempre la curva característica de tiempo-corriente
de los dispositivos de protección y al reemplazarlos se debe hacer por dispositivos
que coincidan con el original.
Coordinación Selectiva
Los buenos diseños de sistemas eléctricos generalmente implican una buena
coordinación entre todos los niveles de protección contra sobrecorriente que
permitan identificar plenamente condiciones de sobrecorriente o falla a tierra en el
circuito fallado.
Hay casos en los que el Código requiere específicamente una coordinación selectiva
de los dispositivos de sobrecorriente.
La definición, tal como se modificó en el NEC de 2014, del término coordinación
selectiva incluido en el Artículo 100 y dice lo siguiente:
Coordinación (selectiva). “Localización de una condición de sobrecorriente para restringir
interrupciones en el circuito o equipo afectado, lo cual se logra con la selección e instalación de
dispositivos de protección contra sobrecorriente y sus clasificaciones o configuraciones para el rango
completo de sobrecorrientes disponibles, desde la sobrecarga hasta la máxima corriente de falla
disponible, y para la gama completa de tiempos de apertura de dispositivos de protección contra
sobrecorriente asociados con esas sobrecorrientes ".
La sección 240-12 requiere específicamente la coordinación del sistema eléctrico
cuando se requiera una interrupción ordenada para minimizar los riesgos para las
personas y equipo.
240-12. Coordinación del sistema eléctrico. Cuando se requiera una interrupción ordenada para
minimizar el riesgo o riesgos para las personas y equipos, se permite un sistema de coordinación
basado en las dos condiciones siguientes:
(1) Coordinación de protecciones contra cortocircuito.
(2) Indicación de sobrecarga basada en sistemas o dispositivos de monitoreo.
NOTA: El sistema de monitoreo puede causar que esa condición produzca una alarma que permita
tomar acciones correctivas o una interrupción ordenada del circuito, minimizando los peligros para
las personas y daños a los equipos.
Este sistema de coordinación puede lograrse mediante protección coordinada contra
cortocircuitos o mediante sistemas de indicación o monitoreo de sobrecarga.
Otro requisito para la coordinación selectiva de los dispositivos de sobrecorriente de
un sistema se establece en el Artículo 700, que cubre los requisitos para los sistemas
de emergencia.
Se requiere que los dispositivos de protección contra sobrecorriente del sistema de
emergencia se coordinen selectivamente con todos los dispositivos de sobrecorriente
del lado del suministro [ver 700-32; NEC-2017].
700-32. Coordinación selectiva. Los dispositivos de protección contra sobrecorriente del sistema o
sistemas de emergencia deben estar coordinados selectivamente con todos los dispositivos de
protección contra sobrecorriente del lado de la alimentación.
La coordinación selectiva debe realizarse por un ingeniero profesional certificado o cualquier otra
persona debidamente calificada en diseño, instalación o mantenimiento de sistemas eléctricos. El
estudio de la coordinación selectiva debe estar documentado y disponible para el personal encargado
de la supervisión, mantenimiento y funcionamiento del sistema.
Excepción: No se exigirá coordinación selectiva entre dos dispositivos de sobrecorriente en serie si no
hay cargas conectadas en paralelo con el dispositivo más alejado de la fuente.
Además de otros requisitos para la coordinación selectiva que se encuentran en otras
secciones 620-62, 645-27 NEC-2017, 695-3 c) 3), 701-27 y 708-54 NEC-2017.
620-62. Coordinación selectiva. Cuando un solo alimentador suministra energía a más de un medio
de desconexión de una máquina, el dispositivo de protección contra sobrecarga en cada medio de
desconexión debe estar coordinado selectivamente con cualquier otro dispositivo de protección
contra sobrecorriente instalado en el lado de alimentación.
645-27. Coordinación selectiva. Los dispositivos de protección contra sobrecorriente de los sistemas
de datos para operaciones críticas deben estar coordinados de manera selectiva con todos los
dispositivos de protección contra sobrecorriente del lado de alimentación.
695-3. Fuentes de suministro para bombas contra incendios accionadas con motores eléctricos.
c) Complejos de varios edificios.
3) Coordinación selectiva. Los equipos de protección contra sobrecorriente de cada medio de
desconexión deberán estar coordinados selectivamente con cualquier otro dispositivo de protección
contra sobrecorriente del lado fuente.
701-27. Coordinación. Los dispositivos de protección contra sobrecorriente del sistema o
sistemas de reserva legalmente requeridos deben estar coordinados selectivamente con todos los
dispositivos de protección contra sobrecorriente del lado del suministro.
Excepción: No se exigirá la coordinación selectiva entre dos dispositivos de sobrecorriente en serie si
no hay cargas conectadas en paralelo con el dispositivo más alejado de la fuente.
708-54 Coordinación selectiva. Los dispositivos de protección contra sobrecorriente de los sistemas de
energía para operaciones críticas deben estar coordinados de manera selectiva con todos los
dispositivos de protección contra sobrecorriente del lado de alimentación.
La coordinación selectiva debe ser hecha por un ingeniero u otra persona calificada, comprometida
principalmente con el diseño, instalación o mantenimiento de sistemas eléctricos. La selección debe
ser documentada y debe estar disponible para todas aquellas personas autorizadas para el diseño,
instalación, inspección, mantenimiento y funcionamiento del sistema.
Excepción: No debe requerirse coordinación selectiva entre dos dispositivos de protección contra
sobrecorriente ubicados en serie si no hay cargas conectadas en paralelo con el dispositivo que sigue
en la dirección de la corriente.
Como se mencionó previamente un buen diseño del sistema que cumpla con los
requisitos aplicables del Código requiere un cuidadoso estudio y selección de los
dispositivos de protección contra sobrecorriente para garantizar que se proporcione
una trayectoria de corriente de falla a tierra efectiva para facilitar la operación del
dispositivo de sobrecorriente en el nivel del circuito fallado.
Un ejemplo de un sistema que no se ha coordinado adecuadamente sería cuando
una falla a tierra en un circuito derivado de 30 A provoca que un dispositivo de
protección contra fallas a tierra de equipos (GFPE) de 2000 A en un Tablero principal
opere antes que el circuit breaker de 30 A pueda dispararse.
Eliminación de fallas en el equipo de acometida.
El envolvente del equipo de acometida probablemente es uno de los lugares más
vulnerables para que ocurran fallas a tierra.
El código no establece una protección contra sobrecorriente para los conductores
de acometida en el lado de la línea del dispositivo de desconexión de acometida y
sobrecorriente, solo la protección de sobrecorriente primaria del transformador de la
empresa distribuidora proporciona niveles de protección contra cortocircuitos.
El dispositivo de sobrecorriente de acometida proporciona protección contra
sobrecargas en serie con los conductores de entrada de acometida.
Esta es una de las razones principales por las que el Código requiere que los medios
de desconexión de acometida se ubiquen fuera del edificio o, si se instala dentro, más
cerca del punto de entrada de los conductores de acometida al edificio.
Con base en lo anterior se limita la longitud de los conductores de acometida sin la
habitual protección contra sobrecorriente dentro del edificio.
Si se presenta una falla a tierra en un punto en el lado de la línea del dispositivo de
sobrecorriente de acometida, entonces esa falla solo puede ser eliminada por el
dispositivo de sobrecorriente primario ubicado en el lado de alimentación del
transformador de acometida.
Esta protección son los fusibles o corta circuitos primarios para el transformador, que
pueden ser varias veces superior a la ampacidad de los conductores secundarios.
En muchos casos, una falla a tierra en el lado de la línea de acometida no se eliminará
a través de los dispositivos de sobrecorriente primaria y solo se puede eliminar al
convertirse en un cortocircuito o al quemarse. Esto fácilmente puede provocar un
incendio en un Tablero principal.
Si el equipo eléctrico en el lado de la línea de acometida no está conectado
correctamente y no se ha instalado un puente de unión principal del tamaño
adecuado, es muy poco probable que haya suficiente corriente en la trayectoria para
eliminar la falla a tierra a través de los dispositivos de sobrecorriente en el lado de la
línea del transformador de acometida (figura 11.9).
Propósito del conductor puesto a tierra (con frecuencia es el
conductor neutro) en un sistema puesto a tierra
Para máxima seguridad y para cumplir con 250-24 c)
250-24. Puesta a tierra de sistemas de corriente alterna alimentados por una acometida.
c) Conductor puesto a tierra llevado al equipo de acometida. Cuando un sistema de corriente alterna
operando a 1000 volts o menos está puesto a tierra en cualquier punto, el conductor puesto a tierra
debe tenderse junto con los conductores de fase hasta cada medio de desconexión de acometida, y se
debe conectar a cada terminal o barra del conductor puesto a tierra de cada medio de desconexión.
Un puente de unión principal debe conectar el conductor puesto a tierra a cada envolvente de los
medios de desconexión de cada acometida. El conductor puesto a tierra se debe instalar de acuerdo
de (1) a (4) siguientes:
Excepción: Cuando más de un medio de desconexión de la acometida está localizado en un solo
ensamble de equipo de acometida, se permitirá conectar el conductor puesto a tierra hasta la terminal
o barra común del conductor puesto a tierra del ensamble. El ensamble debe incluir un puente de
unión principal para conectar los conductores puestos a tierra a la envolvente del ensamble.
1) Tamaño del conductor puesto a tierra para una sola canalización o cable. El conductor puesto a
tierra no debe ser menor que el especificado en la Tabla 250-102 (c)(1).
2) Conductores en paralelo en 2 o más canalizaciones o cables. Si los conductores de fase de
acometida están instalados en paralelo en dos o más canalizaciones o cables, el conductor puesto a
tierra también se deberá instalar en paralelo. El tamaño del conductor puesto a tierra en cada
canalización o cable deberá estar basado en el área total de los conductores de fase en paralelo en
las canalizaciones o cables, como se indica en (c)(1) anterior, pero no debe ser menor al tamaño 53.5
mm2 (1/0 AWG).
NOTA: Ver 310-10(h) para los conductores puestos a tierra conectados en paralelo.
3) Acometida conectada en Delta. El conductor puesto a tierra de una acometida en delta, 3 fases, 3
hilos, deberá tener una ampacidad no menor que los conductores de fase.
4) Alta impedancia. El conductor puesto a tierra de un sistema con neutro puesto a tierra a través de
una alta impedancia debe ser puesto a tierra de acuerdo con 250-36.
y 250-186,
250-186. Puesta a tierra de sistemas de corriente alterna proporcionados por la empresa de servicio
a) Sistemas con un conductor puesto a tierra en el punto de acometida. Donde un sistema de corriente
alterna que funciona a más de 1000 volts está puesto a tierra en cualquier punto y está provisto de
un conductor puesto a tierra en el punto de acometida, deben instalarse uno o más conductores
puestos a tierra y se deben llevar con los conductores no puestos a tierra hasta cada medio de
desconexión de la acometida y se deben conectar a cada terminal o barra principal del conductor
puesto a tierra del medio de desconexión. Un puente de unión principal debe conectar el conductor
puesto a tierra a cada envolvente de los medios de desconexión de la acometida. El conductor puesto
a tierra debe instalarse de acuerdo con (a)(1) hasta (a)(4). El tamaño del conductor puestos a tierra
sólidamente debe ser el mayor de aquél determinado en las secciones 250-184 o de (a)(1) o (a)(2).
Con base en las secciones anteriores el conductor neutro o conductor puesto a tierra
debe instalarse desde la fuente de alimentación del sistema puesto a tierra
(transformador) a todas las acometidas y conectarse a cada gabinete con medio de
desconexión de acometida (figura 11.10).
Esto es necesario, aunque el servicio pueda suministrar solo cargas de línea a línea
[250-24 c) y 250-28].
El conductor puesto a tierra de cualquier sistema puesto a tierra tiene dos propósitos
principales.
1) Permitir la utilización de energía con voltaje de línea a neutro y, por lo tanto,
sirve como conductor de corriente para transportar cualquier corriente
desequilibrada de regreso a la fuente.
2) Proporcionar una trayectoria de baja impedancia para las corrientes de falla a
tierra con la finalidad de facilitar la operación de los dispositivos de protección
contra sobrecorriente en el circuito, como lo requiere 250-4 a) (5).
El conductor puesto a tierra (conductor neutro) proporciona la trayectoria de retorno
de impedancia más baja para las corrientes de falla al punto neutro de la fuente de
alimentación como se puede observar en la figura 11-10.
Si el neutro no se requiere para los requisitos de voltaje, aun así, debe instalarse hacia
la acometida, unido al gabinete del medio de desconexión de acometida y conectado
al conductor de puesta a tierra de equipos en la acometida.
En esta aplicación, el conductor neutro ya no sirve como conductor neutral sino como
conductor puesto a tierra y como trayectoria de retorno de falla a tierra.
Si esto no se hace, es difícil, si no imposible, eliminar una falla a tierra en el sistema.
Análisis de eliminación de fallas a tierra
Los siguientes ejemplos ilustran un sistema eléctrico simple y ayudan a analizar las
condiciones existentes en caso de falla a tierra.
En el primer caso, el neutro se instala desde un sistema puesto a tierra y está
conectado al equipo de acometida.
En el segundo ejemplo, el conductor puesto a tierra (acometida) no se ha instalado
desde el sistema hacia el medio de desconexión de acometida.
Conductor puesto a tierra (neutro) instalado
En la figura 11.10, el neutro del sistema que sirve como conductor puesto a tierra se
lleva al equipo de acometida se une al gabinete y al conductor de puesta a tierra de
equipos para proporcionar una trayectoria de baja impedancia directamente al
transformador.
Aquí se puede ver que la corriente de falla a tierra no tiene que circular por el terreno
natural para completar el circuito, sino que pasará por el conductor de puesta a tierra
de acometida, que es una ruta de baja impedancia.
Es muy probable que esto permita una corriente suficiente para operar el dispositivo
de sobrecorriente.
La trayectoria paralela a través de los conductores de los electrodos de puesta a
tierra, los electrodos de puesta tierra y el terreno todavía existe.
El conductor de acometida puesto a tierra, que proporciona una trayectoria de
impedancia relativamente baja, transportará la mayor parte de la corriente de falla,
generalmente 90 por ciento o más en la mayoría de los casos.
Resulta obvio, entonces, que, para obtener toda la protección proporcionada por un
sistema puesto a tierra, el conductor del sistema puesto a tierra debe instalarse hacia
la acometida y debe estar conectado al gabinete de desconexión y al conductor de
puesta a tierra de equipos, aunque el conductor neutro no sea necesario para
alimentar ninguna carga.
Por la misma razón, cuando el neutro se usa para requisitos de voltaje, el tamaño del
neutro debe basarse no solo en la demanda de carga al neutro [220-61] sino también
en el tamaño del conductor de entrada de acometida y la cantidad de corriente de
falla necesaria para que operen los dispositivos de sobrecorriente. [250-24 c)]
220-61. Carga del neutro del alimentador o de la acometida.
a) Cálculo básico. La carga del neutro del alimentador o de la acometida debe ser el máximo
desequilibrio de la carga determinado por este Artículo. La carga de máximo desequilibrio debe ser la
carga neta máxima calculada entre el neutro y cualquier otro conductor de fase.
Excepción. La carga así obtenida, se debe multiplicar por 140 por ciento para sistemas de 2 fases, 3
hilos o 2 fases 5 hilos.
b) Reducciones permitidas. Se permitirá que un alimentador que alimente las siguientes cargas tenga
un factor de demanda adicional de 70 por ciento que se aplica a la cantidad indicada en el numeral
(1) o una parte de la cantidad indicada en el numeral (2) siguientes, determinada por los siguientes
cálculos básicos:
(1) Para un alimentador que alimente estufas eléctricas domésticas, hornos de pared, estufas
montadas en la cubierta del mueble de cocina y secadoras eléctricas, cuando la carga máxima no
equilibrada se ha determinado según la Tabla 220-55 para estufas y la Tabla 220-54 para secadoras.
(2) La parte de la carga desbalanceada mayor de 200 amperes cuando el suministro del alimentador
proviene de un sistema de corriente continua de 3 hilos o de corriente alterna de 1 fase; o un sistema
de 4 hilos 3 fases, sistema de 3 hilos 2 fases; o un sistema de 5 hilos 2 fases.
c) Reducciones prohibidas. No debe reducirse la ampacidad del conductor neutro o del conductor
puesto a tierra que se aplique a la cantidad indicada en el numeral (1) siguiente o la parte de la
cantidad indicada en el numeral (2) que abajo se indica, con respecto a la determinada mediante el
cálculo básico:
(1) Ninguna parte de un circuito de 3 hilos que esté formado por el conductor neutro y dos conductores
de fase de un sistema de 3 fases, 4 hilos, conectado en estrella.
(2) Aquella parte que conste de cargas no lineales alimentadas por un sistema de 3 fases, 4 hilos,
conectado en estrella.
NOTA: Un sistema de potencia de 3 fases, 4 hilos, conectado en estrella utilizado para alimentar
cargas no lineales, puede requerir que el sistema de potencia esté proyectado de modo que permita
que pasen por el conductor neutro corrientes con alto contenido de armónicas.
La figura 11.11 muestra un sistema monofásico a tierra de 120/240 V donde toda la
carga se suministra a 240 V.
Un conductor de electrodo de puesta a tierra está conectado correctamente a un
electrodo de puesta a tierra de baja resistencia, por ejemplo, el sistema metálico de
suministro de agua, y conectado a los conductores de puesta a tierra de equipos, todo
de acuerdo con los requisitos del Código (antes del Código de 1962).
Sin embargo, aunque el conductor neutro no funcione con el equipo de acometida,
ya que toda la utilización de energía es de 240 V solamente.
Para servir la carga, el neutro no tiene un propósito útil, y al principio parecería que
podría omitirse. Desde el punto de vista de limitar el voltaje entre el equipo y el
terreno natural en condiciones normales y desde el punto de vista de la utilización de
energía a 240 V, el circuito, como se muestra en la figura 11.11, funcionará
correctamente, siempre que el aislamiento permanezca intacto y no ocurran fallas a
tierra en el sistema.
Sin embargo, si ocurre una falla a tierra en el equipo, como se ilustra en la figura
11.11, debido a una falla de aislamiento, el voltaje entre el equipo y la tierra
aumentará considerablemente.
Comenzando en el punto de la falla a tierra, primero está la impedancia de la falla,
luego la canalización se convierte en un conductor en el circuito de corriente de falla,
luego el conductor del electrodo de puesta a tierra y el electrodo de puesta a tierra
en la acometida.
Sin embargo, la corriente de falla a tierra debe viajar desde el electrodo de puesta a
tierra a través del terreno natural hasta el punto donde el neutro está puesto a tierra
en el transformador por su electrodo de puesta a tierra separado y el conductor del
electrodo de puesta tierra. Finalmente, la corriente de falla a tierra viaja a través del
transformador y regresa a la acometida, a través del dispositivo de sobrecorriente
hasta el punto de la falla a tierra.
Un estudio del circuito de falla como se representa esquemáticamente en la figura
11.11 muestra que sería poco probable que tenga una impedancia de menos de 22 Ω
como la suma de todas las impedancias mostradas.
Este es un valor optimistamente bajo en el mejor de los casos.
La corriente máxima en este circuito es de 5.45 A para el circuito de 120/240 V que
se muestra (120 V ÷ 22 Ω = 5.45 A).
Con una acometida de 100 A y un dispositivo de sobrecorriente de 20 A, es obvio que
ninguno de los dispositivos de sobrecorriente funcionaría. Por lo que existirá un grave
peligro de descarga eléctrica, así como un riesgo de incendio, hasta que el circuito se
abra manualmente.
Si el circuito se abrió debido a una conexión a tierra adecuada, entonces el único
período de tiempo en el que existiría un peligro de descarga sería el de la duración de
la falla. El riesgo de incendio, así como el riesgo de descarga eléctrica, deben
reducirse a un período de tiempo relativamente corto.
Cuando ocurre una falla en un sistema, existe un posible riesgo durante el período
que existe la falla. Es de suma importancia para la seguridad que el tiempo de
eliminación de fallas se mantenga en el período de tiempo práctico más corto.
Para la instalación como se muestra en la figura 11.11, la falla no se eliminará y puede
continuar durante minutos, horas o incluso días antes de que se reconozca.
Además, ese reconocimiento se puede dar al observar un incendio o al notar que una
víctima ha recibido una descarga, que puede llegar a ser fatal.
Esta registrado que muchos accidentes graves, y a veces fatales, resultaron de fallas
que no se eliminaron de inmediato porque el sistema no estaba correctamente
puesto a tierra.
Si el neutro en el transformador del distribuidor estuviera puesto a tierra al mismo
sistema de tubería de agua que la acometida (aunque esto no es muy probable),
entonces la resistencia de la trayectoria de falla se reduciría considerablemente.
Pero debido a la amplia separación entre los conductores de acometida y la tubería
de agua, la reactancia y, por lo tanto, la impedancia del circuito de falla permanecerán
altas.
Las probabilidades son que la corriente de falla no alcance un valor lo suficientemente
alto como para operar el dispositivo de sobrecorriente.
Nuevamente, el fuego y los daños al equipo continuaran hasta que el circuito se abra
manualmente.
Para mejorar la seguridad de dicho sistema, se debe proporcionar una trayectoria de
baja impedancia para transportar suficiente corriente y eliminar la falla del circuito a
través de los dispositivos de sobrecorriente.
Acometidas trifásicas
Se puede aplicar un razonamiento idéntico al que se usa para los sistemas
monofásicos a cualquier sistema puesto a tierra de múltiples conductores y múltiples
fases.
Cualquier fuente de alimentación trifásica derivada de transformadores puestos a
tierra debe tener el conductor neutro o puesto a tierra en cada acometida para
satisfacer los requisitos de 250-24 c).
Un cambio en el NEC 2014 agregó una nueva sección 250-186 (Conductor de circuitos
de falla a tierra en el punto de acometida) que ahora establece los requisitos para
proporcionar el conductor puesto a tierra (neutro) o un puente de unión del lado de
la fuente desde el suministro al equipo de acometida para servicios de más de 1000V.
Esto es cierto independientemente de si hay o no carga que requiera el conductor
neutro en la acometida. El conductor puesto a tierra proporciona una trayectoria de
baja impedancia para que la corriente de falla regrese a la fuente.
Sistema abierto
Las declaraciones anteriores que se aplican a las corrientes máximas de falla a tierra
no se aplicarían a un sistema abierto.
Si no existieran envolventes metálicas, la impedancia del circuito de falla a tierra sería
mucho menor.
Por lo tanto, se pueden esperar mayores corrientes de falla a tierra en la práctica en
instalaciones abiertas o no metálicas.
Sin embargo, dado que la mayoría de los sistemas de 600 V o menos están encerrados
en envolventes metálicos, no habría corrientes de falla a tierra tan altas en estos
sistemas.
Para sistemas abiertos, es necesario que el conductor de puesta a tierra de equipos
se instale con los conductores del circuito para mantener una trayectoria de falla a
tierra de baja impedancia.
Longitud recomendada del conduit para uso como
conductor de puesta a tierra de equipos
En el trabajo original de Eustace Soares, calculó a mano las limitaciones en la longitud
de las canalizaciones y tubería metálicas.
Parte de los resultados de este trabajo está contenido en las tablas ubicadas en el
capítulo 22 de SOARES GROUNDING & BONDING (se incluyen al final).
En 1993, este trabajo fue validado por técnicas modernas de modelado por
computadora y pruebas reales.
El Código actualmente no restringe el tamaño o la longitud del RMC, IMC o EMT,
donde se utiliza como conductor de puesta a tierra de equipos.
Sin embargo, pruebas independientes han demostrado que se debe considerar tanto
el tamaño como la longitud de la canalización.
La Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática del Instituto de Tecnología de Georgia
en Atlanta, Georgia, ha realizado un extenso trabajo para determinar la longitud
máxima segura de conduit o tubería para funcionar como conductor de puesta a tierra
de equipos.
“Modeling and Testing of Steel MT, IMC and Rigid (GRC) Conduit,” School of
Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta,
Georgia 30332.
Se ha desarrollado un software de computadora que permitirá el cálculo de solo
conduit o tubos metálicos y casi cualquier combinación de conduit o tubos metálicos
con conductores de puesta a tierra de equipos tipo cable para su uso en la trayectoria
de retorno a tierra.
Este software también se puede usar para calcular la longitud máxima de los
conductores de puesta a tierra de equipos de tipo cable que son seguros de utilizar
cuando no se instalan en conduits metálicos, como conduits de PVC y otras
canalizaciones no metálicas.
Cuando se utiliza una envolvente de conductor metálica como conductor de puesta
a tierra de equipos, debe tener continuidad y la conductividad para transportar
suficiente corriente para facilitar el funcionamiento de los dispositivos de
sobrecorriente.
Algunas autoridades de inspección eléctrica y especificaciones de ingeniería
requieren que se instale un conductor de puesta a tierra de equipos tipo cable dentro
del Conduit considerando la mala mano de obra de la instalación de la canalización o
para mantener la continuidad donde los accesorios pueden dañarse durante el uso.
Este es un requisito que va más allá del requisito mínimo del NEC, excepto en partes,
como ubicaciones peligrosas (clasificadas) o instalaciones de atención médica donde
se requiere el conductor de puesta a tierra de equipos tipo cable además del sistema
de canalización metálica.
El ingeniero, instalador o inspector debe examinar el conductor de puesta a tierra de
equipos (el envolvente metálico) para asegurarse de que funcione correctamente en
caso de falla a tierra.
Cuando los ductos, canales auxiliares y electroductos tienen envolventes de acero,
puede haber suficiente sección transversal de material para servir como conductor
de puesta a tierra de equipos.
Cuando se cuestiona si las conexiones eléctricas entre longitudes son adecuadas para
transportar suficiente corriente de falla para eliminar la falla, estas canalizaciones
también pueden requerir un conductor de puesta a tierra de equipos tipo cable
adicional.
El envolvente del conductor, el conduit, la canalización, etc., también pueden ser
aceptables como el conductor de puesta a tierra de equipos en lugar de los
conductores de cobre o aluminio que figuran en la Tabla 250-122.
En general, si un conduit, tubería metálica o ducto eléctrico cumple con los requisitos
del Código para el área de ocupación de conductores, el envolvente proporcionará un
conductor de puesta a tierra de equipos aceptable.
En promedio un electroducto de hasta 1500 A, tiene suficiente acero en el gabinete
para proporcionar un conductor de puesta a tierra de equipos aceptable si se asegura
una conductividad adecuada en las uniones.
Para electroductos de mayor capacidad, es poco probable que el envolvente de acero
sea lo suficientemente robusto.
Para todos los tamaños de electroductos, la conexión eléctrica en las uniones debe
verificarse cuidadosamente.
Muchos electroductos tienen envolventes de aluminio. En estos electroductos, el
envolvente tiene suficiente conductividad. También se deben verificar que las
conexiones eléctricas en las uniones sean correctas.
Diseños en trayectorias de conduits de gran longitud
Analicemos una instalación en la que un conduit de designación métrica (MD) 78 (3
pulgadas) tiene una longitud de 300 m (1000 pies) y tiene un dispositivo de protección
contra sobrecorriente de 400 A que protege los conductores contenidos.
Suponga que la corriente de falla mínima para el disparo instantáneo sería el 600 por
ciento de la clasificación del dispositivo de sobrecorriente, o, para este caso, 2400 A.
La impedancia del conduit MD 78 (3 pulgadas) a 2400 A es de aproximadamente
0.0875 Ω / 300 m (1000 pies).
Para un sistema de 208Y / 120 V con impedancia cero en el punto de la falla, la
corriente máxima será de aproximadamente 1400 A.
Ese valor de corriente operaría un fusible limitador de corriente de alta capacidad de
interrupción de 400 A en aproximadamente dos segundos.
Sin embargo, estas fallas a tierra son casi siempre fallas de arco. Esto agrega
impedancia adicional al circuito y reduce la corriente de falla en el circuito.
Por otra parte, dado que la impedancia del conduit aumenta con una consecuente
disminución en la corriente de falla, la impedancia del Conduit ahora sería de 0.129 Ω
/ 300 m (1000 pies) a una corriente de 1,400 A.
Teniendo en cuenta la impedancia del arco en el circuito descrito y el incremento de
la impedancia del conduit dando lugar a una corriente de 930A (aproximadamente el
66 por ciento) y otros factores variables que incluyen un aumento adicional de la
impedancia del conduit obteniendo una corriente aún más baja, es más probable que
la corriente de falla a tierra este más cercana a 300 A.
Con una corriente de falla de 300 A, el fusible limitador de corriente de alta capacidad
de interrupción de 400 A en consecuencia nunca eliminaría la falla.
Para un alimentador de gran longitud como este, puede ser necesario aumentar el
tamaño de los conductores para tomar en consideración la caída de voltaje.
La sección 250-122 b) exige que el conductor de puesta a tierra de equipos tipo cable
también se incremente en tamaño en proporción al tamaño de los conductores de
fase.
Por ejemplo, si el conducto MD 78 (3 pulgadas) tuviera solo 30 m (100 pies) de largo,
la corriente de falla anticipada sería de aproximadamente 3000 A, con lo que operaría
satisfactoriamente el dispositivo de sobrecorriente.
Ambos valores de corriente de falla se basaron en la impedancia de solo esa parte del
circuito que estaría dentro del conduit, no en la impedancia de todo el circuito.
Los valores de corriente de falla alcanzados en la práctica probablemente serían
menores que los dados aquí.
¿Qué se puede hacer para lograr la máxima seguridad?
El sistema debe estar diseñado para asegurar que el desempeño de la puesta a tierra
y unión en el sistema satisfaga todos los requisitos establecidos en 250-4 a) (5) y 2504 b) (4) para obtener una adecuada puesta a tierra, unión y una trayectoria efectiva
para la corriente de falla.
Esto puede significar agregar un conductor de puesta a tierra de equipo de tipo cable
adicional dentro del conducto en paralelo con el conduit si los cálculos indican que es
requerido.
Si la impedancia del circuito de falla a tierra es tan grande como para permitir
suficiente corriente de falla a tierra para operar adecuadamente los dispositivos de
sobrecorriente en un tiempo razonable, entonces se puede obtener una impedancia
menor agregando un conductor de puesta a tierra de equipos tipo cable dentro del
conduit.
Este conductor debe instalarse dentro del conduit (instalado con los conductores del
circuito).
El conductor de puesta a tierra de equipos tipo cable nunca debe instalarse fuera del
conduit o canalización a través del cual se instalan los conductores que alimentan al
equipo.
Cuando se instala externamente al conduit, se vuelve bastante ineficaz en el circuito
de puesta a tierra del equipo, ya que prácticamente toda la corriente de falla a tierra
retornará por el conduit.
Además, el conductor de puesta a tierra de equipo tipo cable debe funcionar tan cerca
de los conductores de fase como sea práctico, hasta el punto donde se conecta al
conductor neutro en el servicio (ver figura 11.12).
No sería práctico ni deseable sustituir un conductor de cobre o aluminio por el
conduit.
En su lugar, agregue el conductor de cobre o aluminio y conéctelo en paralelo con el
conduit para formar un conductor de puesta a tierra del equipo de dos conductores
en paralelo.
El conductor de cobre o aluminio y el conducto deben conectarse entre sí a intervalos
prácticos convenientes, aproximadamente cada 30 m (100 pies) o menos.
Eso reducirá la longitud del circuito a través del cual la corriente de falla a tierra pasará
solo por el conduit.
Para la determinación de la impedancia correcta del circuito involucrado cuando
ocurre una falla a tierra, esta puede determinarse si el envolvente metálico será un
conductor de puesta a tierra de equipos aceptable o si será necesario complementar
el envolvente con un conductor de puesta a tierra de equipos de tipo cable.
Cuando un conduit de acero es parte del circuito eléctrico, ya que será donde ocurre
una falla a tierra, habrá un gran aumento tanto en la resistencia como en la reactancia
del circuito, que variará considerablemente con la cantidad de corriente de falla.
Las pruebas de laboratorio han demostrado que, para una corriente monofásica a
través de un conductor dentro de un conduit de acero, la impedancia del circuito es
aproximadamente igual a la impedancia del propio conduit.
El tamaño del conductor dentro del conduit tiene un efecto relativamente pequeño
sobre la impedancia del circuito.
Además, a pesar del hecho de que hay muchas trayectorias paralelas externas al
conduit, la corriente en las otras trayectorias paralelas será muy pequeña y, en
condiciones normales, sería inferior al 10 por ciento de la corriente de falla total.
Otros dos factores deben tenerse en cuenta al estimar la corriente de falla a tierra.
Son los efectos de los acoplamientos de conduits en el incremento de la impedancia
del circuito y la caída de voltaje a través del punto de falla.
Si los acoplamientos del conduit se instalan apretados con llave (wrenchtight), como
lo exige el Código, el aumento de la impedancia del conduit con acoplamientos es
aproximadamente un 50 por ciento más que la impedancia para un tramo recto sin
acoplamientos.
Aquí es donde se demuestra el valor y la importancia de instalar un conductor de
puesta a tierra de equipos del tipo de cable del tamaño adecuado dentro del conduit
y conectarlo al conduit a intervalos frecuentes para garantizar una baja impedancia y
seguridad.
Los valores de impedancia para el conduit se pueden obtener de los fabricantes.
Al usar estos valores de impedancia, ajustar los acoplamientos y estimar una caída de
50 V a través de la falla, se puede determinar un valor razonable para la cantidad de
corriente de falla en el circuito.
Pongamos como ejemplo un tramo de 60 m (200 pies) de conducto MD 78 (tamaño
comercial de 3 pulgadas) con conductores de 500 kcmil en un circuito de 208Y / 120V
protegido por dispositivos de sobrecorriente de 400A. Durante una falla a tierra, la
cantidad de corriente será:
E (voltaje) ÷ Z (impedancia) = I (corriente)
Con una caída de 50V en la falla y Z (impedancia) = 0.02970Ω, la corriente será de
aproximadamente 2350A.
El uso de un conduit MD 78 (tamaño comercial de 3 pulgadas) como conductor de
puesta a tierra de equipos donde se utilizan dispositivos de sobrecorriente de 400A
es, por lo tanto, suficiente para su operación.
Un método más simple para determinar si el conduit o el envolvente metálico
funcionará satisfactoriamente es calcular primero la corriente de falla mínima
deseada (5 veces la clasificación del dispositivo de sobrecorriente o más para alcanzar
la porción instantánea de la curva de tiempo / corriente), que, en este caso, es de 5
x 400 o 2000A.
Posteriormente, sobre la base de 70 V disponibles para un circuito de 120V a tierra
(caída de voltaje de 120 - 50), calculando la Z (impedancia), que será 0.035Ω.
Un tramo recto del conduit MD 78 (tamaño comercial 3) tiene una impedancia de
aproximadamente 0.099 Ω por mil pies a 2000 A.
A ese valor agregue 50 por ciento para incluir un factor de seguridad.
(0.099Ω X 0.1) x 1.5 = 0.01485 Ω
Eso dará una impedancia de 0.01485 Ω para 30 m (100 pies).
Encontramos que el valor de la impedancia que permitirá 2000A en ese circuito es
0.035Ω.
Dado que 71 m (235 pies) del conduit que transporta 2000A tendrá una impedancia
de 0.035 Ω, se determina que para tener una corriente mínima de 2000A en una falla
a tierra, hasta 71 m (235 pies) de MD 78 (tamaño comercial 3) se puede instalar un
conduit para un circuito protegido por un dispositivo de sobrecorriente de 400 A.
La Tabla 22.10 proporciona datos de respaldo del Instituto de Tecnología de Georgia
en relación con las longitudes máximas de conduits o tubos de acero que pueden
utilizarse de manera segura como conductor de puesta a tierra de equipos (ver
también las tablas 20-13 a 20-16).
Si se utiliza un conduit MD 103 (tamaño comercial 4) en lugar del Conduit MD 78
(tamaño comercial 3), y la clasificación del dispositivo de sobrecorriente no cambia
continua siendo de 400A, la longitud máxima del conduit puede determinarse con
referencia a la tabla 20-10.
Con cierta interpolación y utilizando los mismos cálculos, se encuentra que 78 m (260
pies) de Conduit MD 103 (tamaño comercial 4) podrían instalarse y proporcionar un
conductor de puesta a tierra de equipos satisfactorio para este circuito.
Se puede determinar para cualquier circuito y conduit de cualquier tamaño y para
dispositivos de sobrecorriente de cualquier tamaño, la longitud máxima segura del
conduit que permitirá una corriente de falla de suficiente magnitud para facilitar el
funcionamiento del dispositivo de sobrecorriente.
Si la longitud del circuito excede la longitud máxima segura según lo calculado, será
necesario agregar un conductor de puesta a tierra de equipos tipo cable (cobre o
aluminio) en paralelo con el conduit o aumentar el tamaño del conduit.
Los tamaños mínimos de conductor de puesta a tierra de equipos se proporcionan
en la Tabla 250-122.
Cabe señalar que este análisis debe completarse considerando el conduit y el
conductor de puesta a tierra de equipos tipo cable incluido, ya que incluso esa
combinación puede no ser suficiente para proporcionar la trayectoria de baja
impedancia requerida.
Por ejemplo, si la instalación real que utiliza las condiciones anteriores con un conduit
de acero de 4 pulgadas con un conductor de puesta a tierra de equipos 3 AWG fuera
de 450 pies, esto excedería la longitud máxima calculada de 403 pies para la
combinación de conduit y cable.
El Código permite que un conductor de puesta a tierra de equipos de tipo cable esté
desnudo o aislado.
Sin embargo, si el conductor está desnudo, puede haber un arco eléctrico entre el
conductor desnudo y el interior del conduit en puntos distintos del punto en el que
se produce la falla a tierra.
Esto se debe a ligeras diferencias en la impedancia entre la canalización y el cable, lo
que resulta en diferencias de potencial que pueden provocar un arco eléctrico.
Dicho arco puede dañar los conductores de fase afectando el correcto
funcionamiento del circuito de falla a tierra.
Esto es un buen argumento para el uso de conductores de puesta a tierra de equipos
de tipo cable aislado cuando se instalan en un envolvente metálico.
Si se utiliza un conduit de aluminio en lugar de un conduit de acero para las mismas
condiciones mencionadas anteriormente [conductores de cobre de 500 kcmil,
conduit MD 78 (tamaño comercial 3) y un dispositivo de sobrecorriente de 400A], el
recorrido del circuito podría ser de aproximadamente 270 m (900 pies) de largo, el
conduit de aluminio proporcionaría un conductor de puesta a tierra de equipos
satisfactorio.
El conduit de aluminio MD 78 (tamaño comercial 3) tiene una resistencia de cd de
aproximadamente 0.0088 Ω/ 300 m (1000 pies) y el cable de cobre de 500 kcmil tiene
una resistencia de cd de 0.0222 Ω / 300 m (1000 pies).
El conduit de metal flexible es adecuado como conductor de puesta a tierra de equipos para no más
de 1,8 m (6 pies) de longitud en toda la trayectoria de retorno de falla a tierra y con no más de 20 A
de protección contra sobrecorriente de los conductores contenidos y cumplir con las otras condiciones
estipuladas en 250-118 (5).
250-118. Tipos de conductores de puesta a tierra de equipos. El conductor de puesta a tierra de
equipos, llevado junto con los conductores del circuito o que los encierra, debe ser uno o más o una
combinación de los siguientes:
(5) Tubo conduit metálico flexible Tipo FMC, que cumpla todas las siguientes condiciones.
a. El tubo conduit termina en accesorios aprobados.
b.
Los conductores del circuito alojados en el tubo conduit están protegidos por dispositivos
contra sobrecorriente con valor de 20 amperes o menos.
c.
La longitud combinada de tubo conduit metálico flexible, tubería metálica flexible y tubo
conduit metálico flexible hermético a los líquidos, en la misma trayectoria de falla a tierra, no sea
mayor a 1.80 metros.
d.
Si se utiliza para conectar equipos en donde se requiere flexibilidad para minimizar la
transmisión de la vibración del equipo o para proporcionar flexibilidad para un equipo que requiere
movimiento después de la instalación, se debe instalar un conductor de puesta a tierra de equipos.
Como tal, el conduit de metal flexible generalmente debe incluir un conductor interno
de puesta a tierra de equipos.
El Código requiere que las diversas canalizaciones metálicas se instalen de forma que
se asegure la continuidad eléctrica y mecánica adecuada del sistema completo.
Sin embargo, debido a las diversas uniones involucradas, es importante que el
ingeniero, el instalador y el inspector investiguen estos envolventes de conductores
para determinar que su impedancia sea lo suficientemente baja como para
proporcionar una trayectoria efectiva para la corriente de falla a tierra.
Dimensionamiento adecuado del conductor de puesta a
tierra de equipos tipo cable
En general, el tamaño mínimo de los conductores de puesta a tierra de equipos de
tipo de cable se proporciona en la Tabla 250-122 y se basa en la clasificación del
dispositivo de sobrecorriente que protege los conductores del circuito.
Se proporciona un análisis de la Tabla 250-122 en la tabla 22.8.
Se puede aplicar la regla general, pero se debe verificar mediante el cálculo que el
conductor de puesta a tierra de equipos no debe ser inferior al 25 por ciento de la
capacidad de los conductores de fase o el dispositivo de sobrecorriente que alimenta
el circuito.
Se ha agregado una nota a la tabla que indica que el tamaño del conductor de puesta
a tierra de equipos indicado en la tabla debe aumentarse si es necesario para cumplir
con 250-4 a) (5) ó b) (4).
Esto adiciona énfasis al encabezado de la Tabla 250-122 que indica que los
conductores de puesta a tierra de equipos que figuran en la tabla son del tamaño
mínimo.
Un análisis de la Tabla 250-122 muestra la relación del conductor de puesta a tierra
de equipos con el tamaño del dispositivo de sobrecorriente (basado en la clasificación
continua de cable con clasificación de 75 °C).
Es del 50 al 125 por ciento del conductor de fase para dispositivos de sobrecorriente
de hasta 100A.
La clasificación varía del 33 al 25 por ciento para dispositivos de sobrecorriente de
hasta 400A y es del 22 por ciento para dispositivos de sobrecorriente de 600A a un
mínimo de solo 8 por ciento para un dispositivo de sobrecorriente de 6000 A.
Obviamente, el conductor de puesta a tierra de equipos debe ser lo suficientemente
grande como para transportar esa cantidad de corriente, durante el tiempo necesario
hasta accionar el dispositivo de sobrecorriente con el que está asociado, y no
provocar daños importantes.
Clasificación de tolerancia (aguante) del conductor
La Sección 110-9
110-9. Capacidad de interrupción. Los equipos destinados a interrumpir corrientes a niveles de falla
deben tener una capacidad de interrupción a la tensión nominal del circuito al menos igual a la
corriente existente en las terminales de línea del equipo.
Los equipos destinados para interrumpir la corriente a otros niveles distintos al de falla, deben tener
rango de interrupción a la tensión nominal del circuito, al menos igual a la corriente que debe ser
interrumpida.
Esto incluye fusibles, circuit breakers, interruptores de desconexión y equipos
similares.
La Sección 110-10
110-10. Impedancia del circuito, capacidades de corriente de cortocircuito y otras características.
Los dispositivos de protección contra sobrecorriente, la impedancia total, las corrientes de
interrupción de cortocircuito de los equipos y otras características del circuito que se va a proteger, se
deben elegir y coordinar de modo que permitan que los dispositivos para protección del circuito contra
fallas operen para liberar la falla sin causar daños a los equipos eléctricos del circuito. Se debe suponer
que la falla puede ocurrir entre dos o más conductores del circuito o entre cualquier conductor del
circuito y el (los) conductor(es) de puesta a tierra del equipo permitido en 250-118.
Se debe considerar que los productos aprobados, utilizados de acuerdo con su aprobación, cumplen
con los requisitos de esta Sección.
Los conductores de puesta a tierra de equipos, conductores de circuitos, barras
colectoras, puentes de unión, etc., no están destinados a interrumpir la corriente y
en un momento determinado solo son el medio para conseguirlo.
Estos conductores deben ser lo suficientemente robustos como para transportar de
manera segura cualquier corriente de cortocircuito y falla a tierra durante el tiempo
que le tome al dispositivo de protección contra sobrecorriente eliminar la falla.
Esto se afirma claramente en las secciones 110-10, 240-1 NOTA, 250-4 a)(5) y b)(4),
250-90 y 250-96 a).
240-1. Alcance.
NOTA: La protección contra sobrecorriente para conductores y equipos se instala para que abra el
circuito, si la corriente alcanza un valor que cause una temperatura excesiva o peligrosa en los
conductores o en su aislamiento. Ver también 110-9, para los requerimientos de capacidad de
interrupción, y 110-10, para los requisitos de protección contra corrientes de falla.
250-90. Generalidades. Se debe proporcionar una unión cuando sea necesario, para asegurar la
continuidad eléctrica y la capacidad de conducir en forma segura cualquier corriente de falla a que
pueda estar sometido.
250-96. Unión de otras envolventes.
a) Generalidades. Las canalizaciones metálicas, charolas portacables, armadura de cables,
blindaje de cables, envolventes, bastidores, herrajes y otras partes metálicas no portadoras
de corriente que están destinadas para uso como conductores de puesta a tierra de equipos,
con o sin el uso de conductores de puesta a tierra de equipos suplementarios, se deben unir
cuando sea necesario para asegurar la continuidad eléctrica y la capacidad de conducir en
forma segura cualquier corriente de falla que probablemente les sea impuesta.
Cualquier pintura, esmalte o recubrimiento similar no conductor se debe remover de las roscas, puntos
de contacto y superficies de contacto, o las conexiones se deben hacer por medio de herrajes
diseñados para hacer que esta remoción sea innecesaria.
La Sección 310-10 también proporciona detalles para las limitaciones de temperatura
de los conductores.
La integridad de los conductores de puesta a tierra de equipos, los conductores de los
electrodos de puesta a tierra, los puentes de unión principal y del sistema y otros
conductores de circuito debe garantizarse su dimensionamiento correcto.
Los conductores de puesta a tierra de equipos que son demasiado pequeños son de
poca utilidad para eliminar una falla y, de hecho, pueden dar una falsa sensación de
seguridad.
Los conductores de puesta a tierra de equipos no deben incendiarse durante las
condiciones de falla a tierra, dejando el envolvente del equipo energizado, y en
muchos casos, creando un peligro de descarga eléctrica que puede causar lesiones
graves o incluso llegar a ser fatales. La seguridad no debe verse comprometida.
De hecho, la primera oración del Código establece que "el propósito de este Código
es prácticamente salvaguardar a las personas y sus propiedades de los peligros
derivados del uso de la electricidad".
Conexiones atornilladas
Se puede calcular, utilizando los valores de la publicación P32-382 (1994) de la
Asociación de Ingenieros de Cables Aislados (ICEA), que un conductor de cobre
aislado con una conexión atornillada puede transportar de manera segura un ampere
por cada 42.25 milésimas circulares durante cinco segundos sin destruir la integridad
de su aislamiento (ver figuras 11.13 y 11.14).
Ese será el valor de tiempo corto o el valor I² t (A x A x tiempo) del conductor.
Luego, a partir de las curvas características de tiempo-corriente de varios dispositivos
de sobrecorriente aprobados, se puede determinar la cantidad de corriente necesaria
para disparar el dispositivo de sobrecorriente en cinco segundos.
Usando esa fórmula, se puede determinar el tamaño de los conductores de puesta a
tierra de equipos que serán proporcionales a los que figuran en la Tabla 250-122,
como se analiza en la tabla 22.8.
Se permite que los conductores de puesta a tierra de equipos estén desnudos y, en la
mayoría de los casos, se instalan a la misma canalización que los conductores de fase
aislados.
Esto presenta un problema potencial. Cuando un conductor de puesta a tierra de
equipos transporta corriente de falla a tierra, un aumento extremo de su temperatura
puede hacer que el aislamiento en los conductores de fase adyacentes se derrita,
causando más daños.
Nuevamente, aumenta el potencial de daños al equipo y peligro de descarga eléctrica
para el personal.
Es deseable limitar el calor del circuito con falla para reducir el daño a los conductores
aislados adyacentes.
Por lo tanto, como se discutió en este capítulo, para los conductores de cobre, el
tiempo de eliminación y la corriente de cortocircuito deben limitarse a:
• Un ampere
• durante cinco segundos ...
• por cada 42.25 milésimas circulares.
• Esto puede expresarse mediante la fórmula amperios al cuadrado por segundos
(I²t).
Por ejemplo, de la Tabla 8 del capítulo nueve de NEC, un conductor de tamaño 8
AWG tiene un área de sección transversal de 16,510 milésimas circulares. Al dividir
el área circular milimétrica del conductor por 42.25, se puede calcular la capacidad
de resistencia de cinco segundos del conductor (16,510 ÷ 42.25 = 391).
Dicho de otra manera, este conductor tiene un índice de tolerancia (aguante) de cinco
segundos I² t de:
391A x 391A x 5 = 764,405 A²seg
A partir de este valor de índice de tolerancia (aguante) de cinco segundos, es fácil
calcular el índice de resistencia del conductor para otros valores de tiempo y / o para
otros valores de corriente.
Ejemplo 1:
¿Cuántos amperes podrá transportar el conductor de cobre de 8 AWG de manera
segura si la impedancia del circuito junto con las características de funcionamiento
del dispositivo de sobrecorriente que protege el circuito resulta en un tiempo de
apertura de 2 ciclos (0.0333 segundos)?
Ejemplo 2:
¿Cuántos amperes podrá transportar con seguridad el conductor de cobre de 8 AWG
si la impedancia del circuito junto con las características de funcionamiento del
dispositivo de sobrecorriente que protege el circuito resulta en un tiempo de apertura
de ¼ de ciclo (0.0042)?
Hay que considerar con base en el ejemplo anterior, que debido a que se logra un
tiempo de eliminación total mucho más rápido, se puede aumentar la corriente de
falla permisible a la que estará sujeto el conductor.
Esto es el resultado de sustituir diferentes valores de tiempo en la fórmula I² t.
En general, donde los dispositivos de sobrecorriente con limitación de corriente
protegen el circuito, los tamaños de los conductores de puesta a tierra del equipo se
determinan directamente de la Tabla 250-122.
Cuando las corrientes de falla disponibles son altas y el dispositivo de protección
contra sobrecorriente tarda más de 0.25 ciclos para eliminar la falla, se sugiere que el
conductor de conexión a tierra del equipo tenga el tamaño indicado en la figura 11.14,
para estar dentro del margen de seguridad.
La figura 11.16 proporciona información para ayudar al instalador en la selección
adecuada de los conductores de puesta a tierra del equipo. Entre otra información,
incluye:
1. valores seguros para conductores con aislamiento termoplástico a 75 °C,
2. valores seguros para conexiones atornilladas,
3. valores inseguros (fusión) para el propio conductor de cobre.
Debido a que el eslabón más débil en cualquier sistema es la clasificación de
resistencia al cortocircuito del aislamiento que se encuentra en las columnas 4, 5 y 6
de la figura 11.16, se recomienda que la columna 4 sea el factor decisivo al seleccionar
los conductores de puesta a tierra de equipos.
Los datos de la Asociación de Ingenieros de Cables Aislados (ICEA), figura 11-16,
columna 4 calculan lo que se discutió anteriormente: No exceda un ampere ... durante
cinco segundos ... por cada 42.25 milésimas circulares de conductor de cobre.
Este cuadro también muestra el conductor 8 AWG utilizado en los ejemplos
anteriores.
Cuando se esté completamente seguro de que el conductor de puesta a tierra de
equipos no entrará en contacto con ninguno de los conductores del circuito aislado
que transporta corriente, la capacidad de tolerancia (aguante) de un conductor de
puesta a tierra de equipo desnudo, por cada 29.1 milésimas de conductor circular de
cobre, no puede exceder de un A por cinco segundos (ver columna siete, figura
11.16).
Este es el estándar que textualmente indica "No exceder de un A durante cinco
segundos por cada 29.1 milésimas de área circular del conductor".
Este valor solo se debe usar cuando los conductores de puesta a tierra de equipos
desnudos se usan de tal manera que no entren en contacto con conductores aislados.
En esta aplicación, el elemento limitante del circuito es la conexión atornillada de la
terminal.
La columna 8 de la figura 11.16 da la corriente en amperes a la que se alcanza la
temperatura de fusión de los conductores de cobre.
Por supuesto, nunca se pretenderá alcanzar la corriente que se muestra porque el
conductor de puesta a tierra de equipos se fundirá, dejando el equipo sin puesta a
tierra y con posible riesgo de descarga eléctrica.
Conclusiones sobre el conductor de puesta a tierra de
equipos
Para un sistema con puesta a tierra, es imprescindible para la seguridad que se
proporcione una trayectoria del conductor de puesta a tierra de equipos de baja
impedancia además de un buen sistema de electrodos de puesta a tierra con una
impedancia tan baja como sea posible.
Esto permite obtener corriente suficiente para eliminar una falla a tierra en forma
automática en un tiempo limitado, lo que debe ser tan rápido como sea posible, sin
interrupciones indebidas del servicio.
Los valores de I² t encontrados en la columna 7 de la figura 11-16 se basan en el uso
de un conductor de cobre y sus uniones atornilladas para transportar los valores
estimados sin destruir sus características.
Los valores se obtienen de un informe del comité IEEE en "Guía de seguridad en la
puesta a tierra de subestaciones de ca".
El valor expresado en amperes por milímetro circular es de un A por cada sección
transversal de 29,1 milésimas circulares.
El tiempo de cinco segundos se usó para proporcionar un factor de seguridad y se
consideró un enfoque razonable para los sistemas de distribución de 600V o menos
protegidos por fusibles limitadores de corriente de alta capacidad de interrupción y
que tienen protección de falla a tierra de equipos.
Como se indicó anteriormente, cuando los conductores de puesta a tierra de
equipos, desnudos, puedan entrar en contacto con conductores de fase aislados,
utilice los valores que se encuentran en la columna 4 de la figura 11-16.
Esta columna se basa en un A por cada 42.25 milésimas circulares de conductor
durante cinco segundos.
La Figura 11-16 tiene todos los cálculos realizados y es mucho más fácil de usar que
realizar cálculos complicados.
La clasificación de tiempo corto del conductor de puesta a tierra de equipos asume
una relación aproximada con el tamaño del dispositivo de sobrecorriente.
Los valores I²t de los conductores que figuran en la Tabla 250-122 están entre
aproximadamente 13 y 28 veces su clasificación continua nominal basada en un A por
cada sección transversal de 42.25 milésimas circulares.