INTRODUCCIÓN La razón principal de la existencia de un sistema de puesta a tierra es la protección de las personas respecto a choques eléctricos producidos por contactos indirectos en una situación de falla. El uso de sistemas eléctricos conectados a un sistema de puesta a tierra generalmente lleva asociada la presencia de altas corrientes como consecuencia de fallas a tierra.
INTRODUCCIÓN Objetivos: Realizar una evaluación de riesgos sustentada por una inspección a las instalaciones de una planta real. Conseguir que, con la ayuda de la normativa aplicable, se puedan sugerir prevenciones en el sistema de puesta a tierra. Abarcar, en nuestro análisis de riesgos, otros tipos de factores de riesgo que no sean de carácter eléctrico, y sin embargo puedan afectar a quienes realizan labores relacionadas a los sistemas de puesta a tierra.
TEORÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Justificación de la puesta a tierra La puesta a tierra de instalaciones eléctricas está relacionada con la seguridad. El sistema de puesta a tierra se diseña normalmente para cumplir dos funciones de seguridad. 1.- Establecer conexiones equipotenciales. 2.- Garantizar que, en el evento de una falla a tierra, toda corriente de corto circuito que se origine, pueda retornar a la fuente de una forma controlada.
TEORÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA La tierra y la resistividad La resistividad del suelo es la propiedad que tiene éste para oponerse al paso de la corriente eléctrica y varía ampliamente a lo largo y ancho del globo terrestre, estando determinada por diversos factores como: Sales solubles Composición propia del terreno Estratigrafía Granulometría Estado higrométrico Temperatura Compactación
TEORÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Mediciones de resistencia de electrodos a tierra Es posible obtener el valor de la resistencia a tierra en sistemas de puesta a tierra ya existentes, para esto se tienen varios métodos de medición de resistencia de una toma a tierra. Método de Caída de Potencial Consiste en hacer circular una corriente eléctrica a través del sistema de puesta a tierra objeto de estudio, midiendo al mismo tiempo los valores de caída de potencial que el paso de esta corriente provoca entre el sistema y un electrodo de potencial utilizado como referencia para la medición. Además del electrodo de potencial, el circuito está constituido por un electrodo de corriente cuya finalidad es cerrar el circuito que permite circular la corriente por el sistema a medir.
TEORÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Tipos de sistemas de puesta a tierra Existen diversos tipos de sistemas de puesta a tierra siendo el propósito de los mismos lo que los diferencia. En este trabajo abordaremos dos de ellos: Puesta a Tierra de Sistemas Eléctricos. Puesta a Tierra de Equipos Electrónicos.
TEORÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Puesta a tierra de sistemas eléctricos En los siguientes sistemas en corriente alterna se conectará a tierra: a. Una fase, dos hilos: El conductor de tierra o retorno. Conexión en sistema: Una fase, dos hilos
TEORÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA b. Una fase, tres hilos: El conductor de retorno en la derivación central del secundario del transformador. c. Sistemas trifásicos que tienen un hilo común a todas las fases o conectados en Y: El conductor común o neutro en la fuente (subestación eléctrica, generador y tablero principal). Conexión en sistema: trifásico con un hilo común a todas las fases Conexión en sistema: Una fase, tres hilos
TEORÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA d. Sistemas trifásicos conectados en Delta: El conductor en la derivación central de cualquiera de los tres devanados de la fuente. Conexión en sistema: trifásico conectado en delta
TEORÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA El calibre del conductor de puesta a tierra del sistema puede ser dimensionado según el calibre de los conductores de alimentación del sistema eléctrico. La tabla 250-66 del NEC (Anexo A) muestra los valores correspondientes. Cuando la alimentación principal no esté conformada por un conductor por fase, sino que hay más de un conductor en paralelo por fase; se hace el cálculo sobre la sección de los conductores en paralelo.
TEORÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Puesta a tierra de equipos electrónicos El esquema convencional para equipos electrónicos se muestra en la siguiente figura. Este esquema encuentra su uso en las instalaciones de computadores personales (PCs) donde únicamente existe alumbrado y algún otro equipo eléctrico, tal como en los pequeños comercios o en las viviendas. Sistema convencional – no aislado
Sistema de tierra aislada TEORÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Existe también el esquema de puesta a tierra aislada que consiste en que el terminal de puesta a tierra del tomacorriente que alimentará a equipos electrónicos vaya aislado hasta el punto de conexión con la puesta a tierra del sistema eléctrico.
Conexión de tomacorrientes de tierra aislada TEORÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Así se ayuda a reducir el ruido de modo común, que es cualquier señal indeseable que es común a todos los conductores del circuito simultáneamente con respecto a tierra.
MARCO LEGAL: REGLAMENTOS Y NORMATIVAS APLICADAS A LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERA Aplicación del código eléctrico nacional (NEC) 110.9.- Rango de interrupción. 250.4(A)(2).- Conectando los equipos eléctricos a tierra. 250.30(A)(1).- Puesta a tierra de sistemas derivados de corriente alterna. 250.50.- Sistema de electrodos de puesta a tierra. 250.66.- Calibre del conductor a la varilla de tierra. 250.80.- Electro canales y tableros de servicio.
MARCO LEGAL: REGLAMENTOS Y NORMATIVAS APLICADAS A LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERA Norma NOM-001 250-32.- Carcasas y canalizaciones de la acometida. 250-43(a).- Armazones y estructuras de tableros de distribución. 250-71(b).- Puente de unión con otros sistemas. 250-81.- Sistema de electrodos de puesta a tierra. 250-91(a).- Conductor del electrodo de puesta a tierra. Otras normas internacionales IEEE Std 141-1993 Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants. 5.8.3.1.- Protección de sobre intensidad de fase. 7.3.1.- Puesta a tierra de equipos de cómputo. 7.5.2.- Valores aceptables recomendados.
MARCO LEGAL: REGLAMENTOS Y NORMATIVAS APLICADAS A LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERA IEEE Std 142-1991 Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems. 5.5.1. – Conexión mono punto. IEEE Std 1100-2005 Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment 8.5.- Consideraciones de puesta a tierra. IEEE Std 80-2000 Guide for Safety in AC Substation Grounding 10.4.- Puesta a tierra de tableros.
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Diagrama unifilar y análisis de cortocircuito
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Calculo de cortocircuito monofásico (falla a tierra) utilizando método punto a punto Datos del transformador: Potencia = 500KVA %Z transformador = 4.4
Tabla de corrientes de corto circuito monofásico ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Reconocimiento del sistema de puesta a tierra existente La planta de Fleischmann-Ecuador, ubicada en Durán, cuenta actualmente con un sistema de puesta a tierra compuesto por un electrodo en el cuarto de transformadores y un grupo de electrodos en el área de oficina.
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR En las siguientes imágenes se puede observar la situación física del electrodo en el cuarto de transformadores.
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR En la siguiente imagen se muestra la barra a la cual está conectado el electrodo y se hace la toma de tierra para el transformador y la celda de media tensión.
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR En los exteriores del área de oficinas se encuentran tres electrodos de puesta a tierra conectados en forma triangular. Sistema de puesta a tierra para equipos de cómputo – exteriores oficinas
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Medición actual del sistema Para realizar la medición del sistema de puesta a tierra existente se utilizó el método de la Caída de Potencial o del 62%. El equipo de medición utilizado es el telurómetro modelo 4610 de la marca AEMC Instruments y el procedimiento seguido fue el sugerido en el manual del mencionado equipo. Equipo de medición AEMC 4610
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Resultados obtenidos Medición en Cuarto de Transformadores Distancia al electrodo de corriente (distancia “a”) a = 36 m. Distancia al electrodo de potencial (aproximadamente 62% de “a”) 62% de a = 21.8 m.
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Resultados obtenidos Medición en Exteriores de Oficinas Distancia al electrodo de corriente (distancia “a”) a = 42 m. Distancia al electrodo de potencial (62% de “a”) 62% de a = 26m.
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Verificación del cumplimiento de normas Dispositivos de protección contra cortocircuitos y rangos de interrupción. NEC 110.9.- Rango de interrupción. IEEE Std 141-1993 Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants. – 5.8.3.1 Protección de sobre intensidad de fase. Las normas antes mencionadas requieren parámetros que sí se cumplen en la instalación inspeccionada, ya que los disyuntores estaban correctamente dimensionados para la carga que alimentaban. Además cumplen con la capacidad de manejo de la corriente de falla dado que, según el análisis de cortocircuito la mayor corriente esperada es de alrededor de 20 kA y los disyuntores instalados manejan hasta 63 kA en caso de falla.
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Valores de Resistencia de Puesta a Tierra IEEE Std 141-1993 Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants.- 7.5.2 Valores aceptables recomendados. Según la norma citada, las tomas de puesta a tierra si cumplen con los requerimientos tanto del NEC como de la IEEE al contar con valores menores a los 2? como se pudo observar en las tablas de resultados de las mediciones.
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Interconexión de Sistemas de Puesta a Tierra NEC 250.30(A)(1).- Puesta a tierra de sistemas derivados de corriente alterna. NEC 250.50.- Sistema de electrodos de puesta a tierra. NOM-001 250-71(b).- Puente de unión con otros sistemas. NOM-001 250-81.- Sistema de electrodos de puesta a tierra. IEEE Std 142-1991 Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems.- 5.5.1 Conexión mono punto. El sistema actual en los equipos de cómputo no cumple las normas ya que se encuentra totalmente separado de la puesta a tierra del Sistema Eléctrico (Cuarto de Transformadores) siendo requisito la unión en un solo punto de ambos sistemas para obtener una única referencia y equipotencialidad. Esto además permite el buen funcionamiento de los equipos de respaldo de energía eléctrica (UPS).
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Conductores para la conexión de electrodos de Puesta a Tierra NEC 250.66.- Tamaño del conductor a la varilla de tierra. NOM-001 250-91(a).- Conductor del electrodo de puesta a tierra. El conductor de puesta a tierra del Cuarto de Transformadores no cumple con lo especificado en la tabla 250.66 del NEC ya que como alimentadores de entrada existen 2 conductores 350MCM por fase, lo que equivaldría en la tabla a la clasificación entre 600 y 1000MCM, teniendo como calibre mínimo de conductor de puesta a tierra un 2/0 en cobre. En la actualidad existe un cable de calibre 1/0 desnudo y en mal estado. En contraste, el sistema de puesta a tierra de equipos de cómputo (área de oficinas) si cumple con esta especificación, ya que los conductores que alimentan al panel principal de dicha área son de calibre 4/0, uno por cada fase. El calibre del conductor existente para la conexión a los electrodos es 2/0 con lo cual se cumplen las normas.
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Puesta a tierra de tableros, canalizaciones y estructuras metálicas. NEC 250.4(A)(2).- Conectando los equipos eléctricos a tierra. NEC 250.80.- Electro canales y tableros de servicio. NOM-001 250-32.- Carcasas y canalizaciones de la acometida. NOM-001 250-43(a).- Armazones y estructuras de tableros de distribución. IEEE Std 1100 2005 Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment.- 8.5 Consideraciones de puesta a tierra. IEEE_Std_80-2000_guide_for_safety_in_AC_substation_grounding.-10.4 Puesta a tierra de tableros.
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Todas las normas citadas arriba coinciden en que los tableros, las canalizaciones metálicas, las carcasas de los equipos, y en general toda parte o estructura metálica que en caso de falla pueda energizarse debe ser conectada a tierra. Estas normas sí se cumplen en la celda de media tensión y la carcasa del transformador, ya que se encuentran conectados al sistema de puesta a tierra. Sin embargo, el tablero del disyuntor principal y el tablero de distribución principal que se encuentran en el mismo cuarto no están conectados al sistema de puesta a tierra, ni tampoco lo están el resto de tableros que se encuentran alrededor de la planta, por lo que en esos casos no cumplen con la normativa expuesta.
ANÁLISIS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA: PLANTA FLEISCHMANN – ECUADOR Puesta a tierra de equipos de cómputo. IEEE Std 141-1993 Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants.- 7.3.1 Puesta a tierra de equipos de cómputo. Sí se cumple esta norma ya que los servidores, los UPS’s y los equipos de cómputo en general están conectados a tierra y tienen su propio sistema de puesta a tierra ubicado en las cercanías al área a proteger.
PREVENCIONES EN EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Para llevar a cabo el análisis de riesgos se utilizará el método propuesto por William T. Fine. El método Fine es del tipo probabilístico, es decir que, mediante la ponderación de diversas variables de la inspección nos permite obtener un grado de peligrosidad de cada riesgo, estableciendo magnitudes que determinan la urgencia de las acciones preventivas. Una vez obtenidas las magnitudes se ordenan según su grado de peligrosidad. Este método es útil aplicarlo en puestos de trabajos concretos y definidos.
PREVENCIONES EN EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA El grado de peligrosidad se determina en base a tres factores: Consecuencias: Se definen como el daño, debido al riesgo que se considera, más grave razonadamente posible, incluyendo desgracias personales y daños materiales. Exposición: Es la frecuencia con la que se presenta la situación de riesgo, siendo tal que el primer acontecimiento indeseado iniciaría la secuencia del accidente. Probabilidad: posibilidad de que, una vez presentada la situación de riesgo, se origine el accidente. Habrá que tener en cuenta la secuencia completa de acontecimientos que desencadenan en el accidente. La fórmula para calcular el Grado de Peligrosidad (GP) es la siguiente: GP = Consecuencias x Exposición x Probabilidad
PREVENCIONES EN EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Análisis de riesgos del sistema actual. Este análisis de riesgos se realizará en los dos puntos específicos inspeccionados en la planta, a saber el Cuarto de Transformadores y las Oficinas (Equipos de Cómputo). Se utilizará como guía la clasificación y procedimientos proporcionados por el GTC 45 (Guía Técnica Colombiana).
PREVENCIONES EN EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Identificación de factores de riesgo en el cuarto de transformadores. Factores de Riesgo Eléctricos. 1. El sistema de puesta a tierra está comprendido por un solo electrodo de puesta a tierra. Según el valor de corriente de cortocircuito obtenida, un solo electrodo no garantiza dar un desfogue eficaz de esta corriente en caso de falla, pudiendo dar origen a niveles de voltajes elevados y peligrosos en las instalaciones. 2. El conductor de conexión al electrodo de puesta a tierra del sistema actual es de calibre 1/0 y se encuentra en muy mal estado. Estas condiciones del conductor de puesta a tierra no garantizan la adecuada conducción de la corriente de falla al electrodo.
PREVENCIONES EN EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Factores de Riesgo Eléctricos. 3. El panel que contiene el disyuntor principal no está conectado al sistema de puesta a tierra, lo que implicaría una condición peligrosa al poder originarse un contacto indirecto en caso de una falla con la estructura del tablero. 4. El electro canal que lleva los conductores de alimentación desde el transformador hasta el tablero del disyuntor principal no está puesto a tierra lo que puede producir un peligro en caso de una falla de aislamiento de los conductores.
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