Diseño de sistemas de puesta a tierra

El método de diseño de sistemas de tierra resulta altamente importante para obtener una buena protección personal y patrimonial.

Durante mucho tiempo se ha mencionado la importancia de realizar instalaciones eléctricas apegadas a la normatividad vigente, sin embargo no siempre se realiza de esta forma. En esta y posteriores entradas del blog, tocaremos el diseño de sistemas de tierra con base en la normativa vigente. El tema ha sido ampliamente estudiado; en México el ingeniero Roberto Ruelas ha elaborado un extenso y detallado método de diseño, el cual iremos explicando.

Los procedimientos tradicionales para diseñar sistemas de tierra resultan complejos debido a que en la mayoría de las ocasiones las condiciones reales varían impredeciblemente. Estas variaciones ocasionan mayor inversión económica.

La puesta a tierra en los sistemas eléctricos tiene el propósito es limitar el voltaje en el conductor neutro del circuito de alimentación de la instalación, para que siempre sea un voltaje estable lo más cercano posible al valor cero (0 V).

Adicionalmente tiene otras funciones, como por ejemplo, limitar el voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o de contactos no intencionales con cables de voltajes más altos. Todo esto se logra uniendo mediante un conductor que pueda soportar la corriente de falla a tierra total del sistema, una parte del sistema eléctrico al terreno, que hará la función de disipar esta corriente.

Conector para conductores de puesta a tierra en tuberías metálicas y ejemplo de utilización

El artículo 250 de la NOM-001-SEDE indica los tipos de sistemas eléctricos que deben aterrizarse:

250-3 Indica que los sistemas eléctricos en c.c. de no más de 300V deben ser aterrizados, a menos de que: suministren energía a sistemas industriales en áreas limitadas y sean equipados con un detector de falla a tierra; que operen a menos de 50V entre conductores o que sean alimentados con un rectificador desde un sistema en c.a. aterrizado.

Los sistemas de c.c. en tres hilos también deberán estar aterrizados.

Los circuitos en c.a. con tensiones menores de 50, si están alimentados por transformadores que estén a su vez alimentados por una tensión a tierra mayor de 150 V, si el sistema que alimenta al transformador no está puesto a tierra cuando estén fuera del inmueble como sistema aéreo.

Si el sistema de alimentación para iluminación o alumbrado tiene una tensión en c.a. de 50 a 100V, se deben aterrizar cuando la tensión entre conductores no puestos a tierra supere los 150V y cuando se usa una conexión en estrella.

Una tierra física se define como un sistema de conexión formado por electrodos y líneas de tierra de una instalación eléctrica. Los sistemas de tierra tienen una importancia vital para proteger el equipo eléctrico y electrónico, ya que de improvisto pueden surgir descargas, sobrecargas o interferencias que lo dañan severamente.

Los sistemas en c.a. de 50 a 1000V que cumplan con las siguientes condiciones no se requiere que estén aterrizados.

• Sistemas eléctricos de hornos industriales.
  
  
• Sistemas derivados que alimenten únicamente rectificadores de controles de velocidad variable.
  
  
• Sistemas derivados aislados que son alimentados por transformadores cuyo voltaje primario es de menos de 1000V, siempre y cuando se cumplan las siguientes condiciones:
  
  
  1. El sistema únicamente se use en control
  
  2. Que sólo personal calificado tenga acceso a la instalación
  
  3. Que se tengan detectores de tierra en el sistema de control
  
  4. Que se requiera continuidad del servicio
  
  
• Sistemas aislados en hospitales y en galvanoplastia permitidos por la NOM 001 en los artículos 517 y 668.
  
  
• Sistemas aterrizados mediante una alta impedancia que limite la corriente de falla a un valor bajo. Estos sistemas se permiten para sistemas en c.a. de tres fases de 480 a 1000V, donde las siguientes condiciones se cumplen: solamente personal calificado da servicio a las instalaciones; se requiere continuidad del servicio; se tienen detectores de tierra en el circuito; y no existen cargas conectadas entre línea y neutro.
  
  

Ver también: Instalación de tierra física

La forma correcta de conectar el sistema eléctrico en c.a. al sistema de tierra (dependiendo el número de conductores) es la siguiente:

• Una fase, dos hilos: El conductor de tierra.


• Una fase, tres hilos: El neutro.


• Sistemas polifásicos que tienen un hilo común a todas las fases: El conductor común.


• Sistemas polifásicos que tienen una fase aterrizada: Este conductor.


• Sistemas polifásicos en general: Solo puede estar aterrizado el conductor común o cuando no lo hay, una fase.

El conductor de puesta a tierra debe cumplir con lo solicitado en el artículo 200-6, el cual menciona que debe ser aislado de tamaño nominal 13,3 mm2 (6 AWG) o inferior; identificarse por medio de un forro exterior continuo blanco o gris claro,  que le cubra en toda su longitud. También puede ser un cable con forro metálico y aislamiento mineral, en este caso se deberá identificar en el momento de la instalación mediante marcas claras en sus extremos. Si se tiene una instalación solar fotovoltaica deberá ser un cable con un solo conductor resistente a la luz solar y con clasificación de intemperie, tal como se permite en el artículo 690-31 de la NOM 001.

El lugar donde se instala el sistema a tierra, para un sistema de c.c. es en la estación rectificadora únicamente. El calibre del conductor de puesta a tierra no debe ser menor que el más grueso del sistema y nunca menor a calibre 8 AWG.

Los sistemas de c.a. deben conectarse a tierra en cualquier punto accesible entre el secundario del transformador que suministra energía al sistema, y el primer medio de desconexión o de sobrecarga, según se indica en el artículo 250-23a de la NOM 001. Adicionalmente, debe existir en el neutro otra puesta a tierra en la acometida a cada edificio en un punto accesible en los medios de desconexión primarios como se menciona en el 250-24. Este conductor de puesta a tierra del sistema no debe ser menor al requerido por la Tabla 250-94 de la NOM 001, excepto el conductor que se conecta a varillas electrodos, o a electrodos de concreto, donde no es necesario que sea mayor que calibre 6 AWG en cobre o 4 AWG en aluminio.

Cuando no sea una acometida, se hace el cálculo sobre la sección de los conductores en paralelo. Asimismo, el puente de unión principal debe ser del mismo calibre obtenido según la misma tabla. Generalmente el conductor del electrodo de puesta a tierra es conectado a la terminal del neutro en el gabinete del interruptor principal donde existe el puente de unión principal entre la terminal del neutro y el gabinete, tal como se especifica en 250-24. Donde un tubo metálico es utilizado como canalización entre el medidor y el interruptor principal, la conexión del conductor puesto a tierra (neutro) crea un circuito paralelo al circuito de puesta a tierra, por lo que esta conexión debe hacerse lo más corta posible, porque en los medidores la terminal del neutro está unida a la carcasa metálica. Es importante notar que en sistemas derivados este circuito paralelo no está permitido por 250-30 de la NOM-001.

En un sistema derivado separado. Una conexión del neutro a la carcasa se requiere en los sistemas derivados separados, tales como los que cuentan con transformadores o con generadores localizados en edificios. Esto se logra conectando la terminal del neutro del sistema derivado al de tierra. En los transformadores, instalando un puente de unión de la terminal X0 (neutro) del transformador a la carcasa del mismo, o al lado de carga del gabinete del centro de cargas.