Conexión a tierra y unión equipotencial

Introducción

Aunque la evolución tecnológica ponga en el mercado dispositivos cada vez más elaborados con el objetivo de asegurar tanto la seguridad personal como la correcta operación de los sistemas e instalaciones eléctricas, el sistema de puesta a tierra hecho de manera eficiente sigue constituyendo uno de sus elementos claves. Por ello, las regulaciones y normas prácticas continúan haciendo énfasis en la importancia de este.

Se aprecia en algunas edificaciones industriales, muchas comerciales y en la gran mayoría de las residenciales, que los diseñadores, constructores y usuarios aún no están sensibilizados con los problemas relativos a la funcionalidad y la seguridad eléctricas. Ante tal situación, solo queda insistir en el precepto de que no puede existir ninguna instalación eléctrica, ni siquiera la más sencilla, que no posea un adecuado sistema de puesta a tierra de sus receptores.

La mayoría de los especialistas eléctricos, electrónicos, de telecomunicaciones y automatización necesitan para su labor profesional tener un buen dominio de este tema porque con cierta frecuencia pueden estar involucrados en tareas que tienen una relación directa con esta, como son: determinar la causa de fallo de un equipo, mejorar la calidad de energía o controlar las interferencias.

A pesar de la obvia necesidad del conocimiento sobre los sistemas de puesta a tierra, sucede que a penas son tocados durante los cursos de ingeniería y es difícil obtener información actualizada y confiable sobre el tema. Por otro lado, sucede que aparentemente encierra conceptos muy sencillos, por lo que muchas personas ajenas a esta ciencia, se atreven a recomendar e imponer criterios que muchas veces resultan contraproducentes.

A partir de la definición de tensión como "una diferencia de potencial eléctrico," es evidente que se requiere de al menos dos terminales para que haya una tensión. Puede haber más de dos terminales, y comúnmente los hay, pero es necesario que en cada circuito exista uno "común" o de "referencia" (si se designa o no como a tal). Muchos circuitos electrónicos usan la carcasa donde están montados como su referencia. Un sistema de distribución estrella de 4 hilos usa el punto central de la estrella como referencia. En un automóvil, el terminal negativo de la bacteria de 12 V (que está conectado a la carrocería) se usa como referencia.

La referencia no tiene que estar conectada a tierra para que los equipos operen. La conexión a tierra de la referencia se convierte en un problema para hacerla más segura.

Esto se debe a que la tierra ya ofrece uno de los dos terminales requeridos para que exista una tensión, y la gente insiste en eso. Por lo tanto, cualquiera de estos que sea tocado con su mano no conectada a tierra tendría una tensión y hay un peligro de choque.

Todo el tema de conexión a tierra se vuelve muy simple si se tienen en cuenta las dos funciones anteriores y se hace un pregunta: "Es la tierra parte del circuito?" Desde el punto de vista de la seguridad la respuesta casi siempre es "sí." Para la protección contra rayo, la respuesta es un "sí" muy enfático. Pero para muchos aspectos de la operación de equipos la respuesta es "no." Por tanto, disponer o no de una baja impedancia a tierra afecta la operación del sistema sólo cuando la tierra es parte del circuito.

Sistema de puesta a tierra

Funciones El sistema de puesta a tierra de las instalaciones eléctricas puede tener las siguientes finalidades:

• Tierra de protección: Tiene el objetivo de drenar a tierra las corrientes de falla peligrosas para garantizar la integridad física de las personas.

• Tierra de funcionamiento: Se refiere a la acción de llevar una parte de un circuito eléctrico al potencial de tierra para su correcto funcionamiento. Caen dentro de esta clasificación la conexión a tierra de alguno de los conductores activos de la red de distribución eléctrica, generalmente el neutro de los generadores y de los transformadores.

Composición Para facilitar su comprensión, los Sistemas de Puesta a Tierra de una instalación pueden verse como compuestos por cuatro subsistemas funcionales distintos y eléctricamente interconectados. Estos son:

1. Subsistema de electrodos de tierra 2. Subsistema de seguridad personal y protección contra falla 3. Subsistema de protección contra rayo 4. Subsistema de referencia de señal

Fig. 1 Composición del sistema de puesta a tierra.

1. Subsistema de electrodos de tierra. Es el conjunto de electrodos de tierra verticales, horizontales, tuberías u otros objetos metálicos interconectados y enterrados que establecen la conexión eléctrica entre los elementos de la edificación que deben protegerse y el terreno. Su propósito es brindar una trayectoria al terreno para la disipación de la corriente del rayo, evitar el peligro de choque a las personas y ayudar al control del ruido.

Este puede presentar gran variación de su resistencia (e impedancia) a tierra. Las condiciones del terreno, especialmente la humedad, pueden provocar variaciones significativas de la resistencia a lo largo del tiempo. En algunos casos, el terreno mismo es un conductor tan pobre que pueden ser necesarios métodos especiales de instalación tales como los pozos químicos para brindar una adecuada conexión. En algunas partes del mundo, sucede que existen suelos arenosos que son muy secos la mayoría del año y donde la actividad de rayos es significativa. La resistencia y la impedancia a tierra de este subsistema es un asunto importante en la disipación de la energía del rayo y en la disminución de los gradientes de potencial.

Se han realizado ensayos de varios tipos de electrodos de tierra para determinar que tipo se comporta mejor. El electrodo embebido en hormigón ha sido uno de los mejores en la conservación del valor de resistencia a tierra. El hormigón es poroso, retiene la humedad y, por tanto, nunca queda totalmente seco. De lo anterior puede verse que es una buena práctica embeber conductores desnudos en el hormigón cuando se tiene la oportunidad, tal como es en las nuevas construcciones.

Los procesos de transporte de señal y de los de señales internas entre equipos no se benefician con este subsistema ni con las conexiones a este, excepto desde el punto de vista de seguridad. Sin embargo, la conexión inadecuada de las partes de un sistema electrónico al subsistema de electrodos de tierra es sabido que produce problemas de comportamiento, de seguridad y de daños a los equipos bajo condiciones conmutaciones del sistema eléctrico y de falla a tierra, o rayos.

La impedancia de conexión a tierra generalmente aumenta con la frecuencia. Esto efecto limita la efectividad de los electrodos de tierra en relación con los esfuerzos por el control del ruido de alta frecuencia. Esto significa el sistema de electrodos de tierra solo no es un medio efectivo de control de los efectos indeseables asociados con las componentes de más alta frecuencia de un evento de rayo.

Desde el punto de vista de la teoría de ondas, la tierra y la conexión a esta representa una seria discontinuidad de impedancia para casi todas las corrientes de impulso de corta duración y tiempo de transición rápido. Debido a esto, la conexión genera grandes reflexiones tanto de corriente como de tensión cuando dichas formas de onda son inyectadas en los electrodos de tierra desde la dirección de tierra o del conductor de electrodos de tierra actuando como una línea de transmisión desbalanceada. Dichas reflexiones se propagan regresando al conductor de electrodos de tierra donde se dispersan a todas las partes de los equipos conectados a este mediante el sistemaeléctrico y cualquier red de conductores de tierra de equipos relacionada.

El subsistema de electrodos de tierra solo no es capaz de controlar los peligros asociados con los fallas a tierra del sistema eléctrico. Esto se indica en los requerimientos de los reglamentos eléctricos que establecen claramente que la tierra nunca será usada como la trayectoria única para una circulación de corriente. En su lugar se requiere de buenas técnicas de conexión a tierra y unión equipotencial.

Como ejemplo de lo anteriormente mencionado, una conexión a tierra de 1 ? asociada con una falla a tierra de 120 V AC limita la circulación de corriente a no más de 120 A. Esta es suficiente para operar cualquier dispositivo de protección contra sobrecorriente donde 10 veces el valor de disparo produce la operación de la parte instantánea de la curva de disparo I2t. Por lo tanto, los circuitos provistos con dispositivos de protección contra sobrecorrientes en el intervalo de 10 á 15 A podrán ser considerados como "protegidos," pero sólo siempre que la impedancia de los electrodos de tierra no se incremente con el tiempo (lo cual es muy improbable). Además y más seriamente, aún con el valor de 1 ?, los dispositivos de protección contra sobrecorriente mayores que comúnmente se usan pueden retardarse en operar o fracasar totalmente su operación ante una falla a tierra. Esta es la razón por la cual los reglamentos eléctricos exigen la unión de las carcasas de los equipos eléctricos y especifica las dimensiones de los conductores de tierra de los equipos basadas en la capacidad del la protección contra sobrecorriente.

Para ilustrar adicionalmente el importante concepto anterior, asuma que la impedancia de los electrodos de tierra instalados es de 1 ? y que se mantiene en este valor bajo las condiciones dadas. Luego, asuma que hay conectado un conductor de electrodos de tierra y que a la frecuencia más alta (de un rayo o una sobretensión) la impedancia de este es de 1000 ?. La impedancia toral del arreglo, vista desde cualquiera de los extremos que actúa como un puerto, es de 1001 ?. Debido a esto, hay una relación de impedancias de 1000:1 entre el extreme lejano del conductor de electrodos de tierra y la conexión a tierra, como si fuera vista en el extremo superior de los electrodos de tierra. Esto significa que si solo circula una corriente de 1 A en el trayecto (a la frecuencia más alta), existirá aproximadamente 1 KV entre tierra y los equipos conectados al extremo lejano del conductor de electrodos de tierra. Con esto en mente, cuál es el beneficio de una conexión a tierra de 1 ? desde el punto de vista de una tensión de modo común y el control del EMI? De acuerdo a lo anterior, la situación de la tensión de modo común es realmente muy seria. Tómese el ejemplo de un terminal de tierra aislado y separado ubicado dentro de un equipo que tiene una carcasa metálica y está adecuadamente conectado al conductor de tierra de los equipos del sistema eléctrico de AC. Si el terminal de tierra de señal aislado y separado está conectado a un electrodo de tierra aislado (práctica no recomendada en ningún caso), entonces alguna circulación de corriente en la impedancia entre el electrodo de tierra del sistema eléctrico y el electrodo de tierra aislado de señal producirá una tensión de modo común entre el terminal y la carcasa del equipo donde está montado. Debido a que el cableado de nivel de señal y los componentes no están provistos de medios de aislamiento más que los de baja tensión y se respeta el espacio de aire mínimo desde los terminales expuestos a la carcasa, existe la posibilidad real de que sobrepase la tensión de ruptura entre los dos (por ejemplo: kVG1–G2 = kAG1–G2 · ?G1–G2 en el caso de dos sistemas de tierra separados). Así, los circuitos de nivel de señal y la lógica asociada y los semiconductores de nivel de señal se exponen a un gran riesgo por esta aproximación, y de cualquier manera no son beneficiados.

Interconexión entre subsistemas de electrodos de tierra

Cuando se trata de varios edificios donde se emplean equipos electrónicos para la comunicación entre estos, no será adecuado el concepto electrodos de tierra independientes y dedicados conectados a las respectivas redes equipotenciales, por las siguientes razones:

– existe acoplamiento entre los electrodos que conduce a un incremento incontrolado de la tensión en los equipos.

– los equipos interconectados pueden tener diferentes referencias de tierra.

– existe riesgo de choque eléctrico, especialmente en el caso de sobretensiones originadas por rayo.

Por lo tanto, todos los conductores de tierra de protección y funcionamiento tienen que conectarse a un único terminal de tierra principal. Además, todos los electrodos de tierra asociados con un edificio (o sea, de protección, funcionamiento y de protección contra rayo) estarán interconectados. Ver Figura 3.

En caso de que la interconexión de los electrodos de tierra de los edificios no sea posible o práctica, se recomienda que se aplique la separación galvánica de las redes de comunicaciones (por ejemplo, usando enlaces de fibra óptica).

Fig. 2 Electrodos de tierra interconectados.

Los conductores de unión de protección y de funcionamiento se conectarán individualmente a la barra de tierra principal de modo tal que si uno de estos se desconecta permanezcan seguras las conexiones de los restantes.

Conceptos básicos de conexión a tierra y unión equipotencial

Realmente hay dos secciones en un adecuado sistema de puesta a tierra: la conexión al suelo mediante electrodos (grounding) y la unión equipotencial (bonding).

Conexión a tierra es "una conexión conductor intencional o accidental, entre un circuito o un equipo eléctrico con el suelo o con algún cuerpo conductor que sirva en lugar del suelo." Note también que se dice "o a otro cuerpo conductor." En el caso de un avión, este sería el fuselaje. En el caso de un barco, este sería el casco.

Unión equipotencial es "la unión permanente de las partes metálicas para formar una trayectoria eléctricamente conductora que asegure la continuidad eléctrica y la capacidad de conducir de manera segura cualquier corriente que pueda ser impuesta".

La unión equipotencial es esencial para asegurar la operación del dispositivo de protección contra sobrecorriente y evitar peligro de choque cuando ocurre una falla de un equipo eléctrico. Mediante la unión equipotencial de las partes metálicas exteriores (al sistema de conexión a tierra) con un conductor de suficiente baja impedancia y dimensiones para llevar la corriente de falla y permita la operación de la protección contra sobrecorriente, una persona en contacto con el equipo que falla no está expuesta a tensiones peligrosas.

Muchos de los "problemas de conexión a tierra" de los equipos electrónicos que impiden su operación adecuada son "problemas de unión equipotencial". Una vez más la pregunta clave es: "Es el suelo parte del circuito?" Disminuyendo la resistencia a tierra del sistema solo impacta en los problemas en los cuales el suelo es parte del circuito.

Para propósitos de conexión a tierra, la unión efectiva consiste de un conjunto de interconexiones y terminaciones de conductor de tierra que, juntos, formen una trayectoria de baja impedancia a todas las frecuencias de interés, para la circulación de la corriente a través de estos. Si se hace adecuadamente, este arreglo puede usarse para limitar exitosamente el desarrollo de potenciales indeseados entre los extremos de la conexión de unión.

El objetivo es que cada terminación (unión) sea tal que las propiedades eléctricas de la trayectoria total sean una función de todos los elementos conectados y no únicamente de las interconexiones. Recíprocamente, una unión pobre es frecuentemente la causa principal de muchas situaciones peligrosas y de producción de ruido, por ejemplo: de caídas de tensión inaceptables, de la generación de calor, de la operación intermitente, del ruido eléctrico y de altos valores de resistencia. Un conductor con un área de sección transversal grande es de poca utilidad si este termina en una conexión de unión pobre.

Debe destacarse que los comportamientos de la mayoría de las técnicas de conexión a tierra y de unión a baja y alta frecuencias de son muy diferentes. Su comportamiento a alta frecuencia es de gran importancia para la mayoría de las aplicaciones que involucran equipos electrónicos, donde las corrientes típicas que se propagan a través del conductor de unión son los impulsos de rápida transición y corta duración de niveles bajo y alto.

Cabe señalar que la instalación de electrodos de tierra es la que sirve de interfaz a los demás subsistemas de tierra para proporcionarles la conexión principal con el suelo y, de este modo, asegurar que cumplan las funciones para las cuales fueron diseñados. Las extensiones desde este hacia el interior del edificio constituyen las conexiones con los demás subsistemas. Sus objetivos son los siguientes:

• Limitar las tensiones de paso y de contacto en las aéreas accesibles por los seres vivos a un valor por debajo de los niveles peligrosos tanto en situaciones de descargas de rayo como de falla eléctrica.

• Brindar una tierra para el drenaje de la corriente del rayo de manera que proteja a la estructura y los seres vivos en su interior.

• Ayudar a la reducción de las interferencias electromagnéticas (EMI) debidas al campo electromagnético, la impedancia de tierra común u otras formas de acoplamiento en los circuitos de señal y control.

2. Subsistema protección contra falla. Consiste en la conexión sólida a tierra y la unión entre sí de todas las partes metálicas que componen las carcasas de equipos, canalizaciones metálicas de todo tipo, armaduras y blindajes metálicos de los cables, los conductores de tierra de equipos que corren junto a los conductores de su circuito asociado y los puentes cortos de conexión a tierra o unión usados externamente. Su propósito es asegurar que las personas sean protegidas del peligro de choque eléctrico y los equipos contra el daño o destrucción, por las fallas que pueden producirse en los sistemas eléctricos. De acuerdo con esta función, el subsistema puede dividirse en:

• Tierra de seguridad personal: Consiste en la conexión de los elementos conductores específicos del sistema eléctrico (de generación, transmisión o distribución) o de equipo de utilización con la tierra, para derivar las corrientes de falla y de este modo brindar protección a las personas contra el choque eléctrico. Esto asegura que la persona no sea expuesta a una diferencia de potencial considerable si hace contacto simultáneo con dos partes metálicas expuestas que normalmente no se están bajo tensión pero pudieran estarlo si se produce una falla eléctrica de aislamiento entre un conductor energizado y dichas partes conectadas a tierra. La tierra (o una estructura sobre esta) siempre es parte del circuito de seguridad, ya que las personas de pie sobre esta y la conexión de una parte específica a tierra es necesaria para minimizar el peligro de choque. Deberá tener una resistencia lo suficientemente baja que garantice la protección personal contra los peligrosos gradientes de potencial, que se desarrollan en el suelo durante las fallas. Para lograrla generalmente se requiere del uso de mallas de tierra diseñadas con el fin de distribuir la corriente sobre un área suficientemente grande de modo que se reduzcan los gradientes de potencial a niveles seguros. Este principio es válido para todo tipo de instalaciones eléctricas, desde grandes subestaciones, industrias hasta viviendas. Una red de unión equipotencial densamente interconectada, junto con su conexión a tierra, reduce fundamentalmente la posibilidad de que aparezcan tensiones importantes entre elementos metálicos adyacentes. No obstante, es necesario tomar medidas suplementarias, sobre todo con respecto a la distribución de energía eléctrica en corriente alterna.

• Tierra de protección de equipos: Tiene la función de mantener a alguna parte de los circuitos eléctricos (como son los centros de estrella de generadores y transformadores de distribución) al potencial de tierra para asegurar que, en el caso de una falla a tierra, la corriente resultante pueda regresar a la fuente a través de una vía de retorno predeterminada sin que ocurran daños a los equipos. Esta incluye tanto los conductores de tierra que discurren a lo largo del sistema de distribución eléctrica como todas las partes metálicas expuestas de los equipos fijos que normalmente no transportan corriente pero que pueden energizarse bajo condiciones de falla eléctrica. Estos conductores deberán tener las suficientes capacidad de transporte de corriente y baja impedancia en todos los puntos de modo que lleven de manera efectiva la corriente de falla a tierra a la frecuencia del sistema eléctrico con la intensidad capaz que hacer actuar rápidamente a los dispositivos de protección contra sobrecorrientes (interruptores automáticos o fusibles instalados en las fases) o los sistemas de interrupción de falla a tierra y se interrumpa la circulación de dicha corriente.

Generalmente se desconocen las características de impedancia (vs. frecuencia) este subsistema. En general, tiene un ancho de banda desconocido pero muy limitado. Además, se conoce que el cableado de tierra típico usado para este sistema tiene grandes pérdidas a alta frecuencia por lo que no es capaz de transportar a distancia corrientes de alta frecuencia sin una atenuación considerable. La configuración general del subsistema básico de protección contra falla y seguridad personal no es un sistema de tierra de punto único, sino un sistema de tierra radial para los circuitos eléctricos ramales de AC y el sistema de AC que suministra la de energía a los equipos mostrados.

3. Tierra de protección contra rayo. Su propósito es la de confinar y disipar de manera segura en el terreno la energía del rayo a través de la instalación de electrodos de tierra. En muchos códigos y normas no aparece requerimiento sobre el valor o intervalo de impedancia que debe presentar este subsistema ante la corriente del rayo que pueda ser circular por este. Por ejemplo, el NEC, la NFPA 75 y la NFPA 780 no establecen límites de impedancia del subsistema de electrodos de tierra como parte del LPS. En lugar de muy bajas resistencias de conexión a tierra, estos abogan por las múltiples uniones del LPS a otros conductores de tierra dentro del edificio. Este enfoque conduce a la reducción de las peligrosas descargas laterales y al uso de más trayectorias de bajadas (en paralelo) terminadas en electrodo enterrado en forma de anillo alrededor del edificio.

4. Tierra de referencia de señal. En ocasiones se le llama tierra "de computación", "electrónica" o "de cero volt," pero estos no son términos muy precisos. Su propósito es la reducción de las interferencias debidas al campo electromagnético, impedancia común de tierra u otras formas de acoplamiento mediante el establecimiento de un potencial de referencia común para garantizar la operación eficiente y confiable de los equipos que integran un mismo sistema de telecomunicaciones, si estos están conectados entre sí a tierra simultáneamente. Con ello, se minimiza las diferencias de potencial entre equipos, se reduce la circulación de corriente entre los mismos y disminuye lastensiones de ruido en los circuitos de señal. Dentro de un mismo equipo, este subsistema puede ser una barra o conductor que sirve como referencia para algunos o todos los circuitos de señal. Entre diferentes equipos, este subsistema deberá ser una red formada por múltiples conductores interconectados. Dependiendo del diseño de los equipos, la edificación y las frecuencias involucradas, este subsistema podrá ser: en algunos casos, un punto único y en la gran mayoría de los situaciones, un plano equipotencial que brindará varias trayectorias de baja impedancia a las frecuencias de trabajo de los equipos para la conexión entre dos puntos cualquiera dentro del edificio y entre un punto cualquiera de este y la instalación de puesta a tierra.

Red de unión equipotencial

Esta unión es el proceso mediante el cual se establece una trayectoria de baja impedancia para la circulación de la corriente eléctrica entre dos objetos metálicos. Por tanto, la red es el conjunto de estructuras conductoras interconectadas que ofrece un apantallamiento electromagnético a los sistemas electrónicos y al personal en frecuencias que van desde corriente continua hasta la parte inferior de la gama de radiofrecuencias.

Función En cualquier sistema electrónico, es necesaria una red de unión equipotencial y puesta a tierra mediante múltiples interconexiones entre las partes metálicas, coordinada con las características de los equipos y con los dispositivos de protección eléctrica, para satisfacer las siguientes funciones:

• Aumenta la seguridad a las personas y la protección de los equipos contra los peligros de los rayos.

• Establecer trayectorias de retorno para la corriente de falla del sistema eléctrico.

• Establecer trayectorias homogéneas y estables de retorno por tierra las corrientes de señal.

• Minimizar los niveles de las emisiones electromagnéticas radiadas y conducidas por los equipos así como sus susceptibilidades ante las mismas.

• Aumenta la tolerancia de los sistemas a las descargas electrostáticas y a las interferencias causadas por el rayo.

• Proteger a las personas de peligro de choque provenientes de la tierra eléctrica.

Las fuentes más usuales de esta energía electromagnética son: los rayos y las fallas de las líneas de alimentación eléctrica de corrientes alterna y continua, losarmónicos de la red de energía de corriente en alterna y las señales de reloj de los equipos digitales. Todas estas fuentes se denominan, en forma genérica, "emisores", mientras que las personas y los equipos que sufren sus efectos se denominan "receptores". El acoplamiento entre determinados emisor y receptor se caracteriza por una función de transferencia. La finalidad de una red de unión equipotencial es reducir la magnitud de la función de transferencia a un nivel aceptable. Esto puede conseguirse por medio de un diseño adecuado de las redes de unión equipotencial común y mallada y la unión de las redes aisladas a la común.

Configuraciones

Al pasar de los sistemas de telecomunicación analógicos a los complejos sistemas digitales se ha constado que las técnicas de puesta a tierra utilizadas anteriormente resultan inadecuadas en diversos aspectos, lo que ha reavivado el interés por las técnicas de unión equipotencial y de puesta a tierra así como por sus repercusiones en la compatibilidad electromagnética (EMC, electromagnetic compatibility). Esto hace necesario establecer las configuraciones dentro de los edificios de telecomunicaciones.

Para lograr la compatibilidad electromagnética se puede recurrir a la construcción de una red conductora de apantallamiento conectada a tierra, de carácter común (red de continuidad eléctrica común, o CBN). La CBN es la red de unión y puesta a tierra de un edificio, pero se puede ampliar por medio de estructuras de apantallamiento jerarquizadas, dotadas de conexiones específicas con la CBN. Las estructuras con un único punto de conexión se denominan, redes de unión aisladas (IBN). En un edificio de telecomunicaciones, la red de unión y puesta a tierra adopta la forma de una CBN, a la que se conectan los equipos mediante múltiples conexiones (red de unión en malla, o IBN en malla) o mediante una conexión monopunto (IBN). La elección de la configuración de unión eléctrica tiene una gran influencia en el logro de la EMC. Una configuración de unión bien definida permite una puesta a tierra clara y estructurada de los cables y facilita la inmunidad y el control de las radiaciones electromagnéticas, lo que resulta especialmente importante en los edificios que contienen equipos nuevos y otros más antiguos. En su función de blindaje, la red unión y puesta a tierra garantiza la seguridad del personal y la protección contra el rayo, y ayuda a controlar las descargas electrostáticas.

Las partes conductoras expuestas (gabinetes, carcasas, bastidores) de los equipos electrónicos y de tecnología de la información dentro de un edificio y el conductor de tierra de protección (PE) de los sistemas internos se conectan a la red de unión de acuerdo a diferentes arreglos.

Para las viviendas, donde normalmente la cantidad de equipos electrónicos es pequeña, se acepta el uso de una configuración de conductores de protección en estrella. Para edificios comerciales, industriales y similares, que contienen múltiples aplicaciones electrónicas, es útil una red de unión equipotencial más compleja que cumpla con los requerimientos de compatibilidad electromagnética de los diferentes tipos de equipos.

La red de unión común (CBN, common bonding network) es el medio principal para conseguir la unión y la puesta a tierra de un edificio de telecomunicación. Está compuesta por el conjunto de componentes metálicos de un edificio que se interconectan deliberada u ocasionalmente. Estos componentes son las varillas de acero del hormigón armado del edificio, las tuberías metálicas, los conductos de cables de energía eléctrica de corriente alterna, los conductores de protección, los bastidores de cables y los conductores de unión. Tiene siempre una topología de malla y está conectada a la red de puesta a tierra.

Principios de ejecución Los siguientes principios de ejecución de la CBN contribuyen tanto a mitigar los choques eléctricos como a reducir el funcionamiento incorrecto del equipo.

• Es muy conveniente que existan interconexiones múltiples entre todos los elementos, en forma de malla tridimensional. Aumentando el número de conductores y sus interconexiones, aumenta su capacidad de apantallamiento así como el límite superior de frecuencia de dicha capacidad.

• Es conveniente que estén próximos entre sí los puntos de entrada de energía en alterna, de cables de telecomunicación y del conductor de puesta a tierra y los puntos de salida de todos los conductores que abandonan el edificio (incluido el conductor de puesta a tierra).

• Debe disponerse de un terminal principal de puesta a tierra, situado lo más cerca posible de las entradas de alimentación en alterna y de los cables de telecomunicación. El terminal principal de puesta a tierra estará conectado a:

– la red de puesta a tierra mediante un conductor lo más corto posible.

– el conductor neutro del sistema de alimentación en alterna (en los sistemas TN).

– las pantallas de los cables (en el punto de entrada de los mismos), ya sea directamente o a través de descargadores.

• Deberá estar conectada al terminal principal de puesta a tierra mediante múltiples conductores.

• Es importante su interconexión con los siguientes elementos, dado que contribuye a la capacidad de apantallamiento:

– las partes metálicas de la estructura del edificio, incluidas las vigas en doble I y el armado del hormigón, cuando se tenga acceso a ellas.

– los soportes y bandejas de cables, bastidores, canalizaciones de conductores y conductos de las líneas de alimentación en alterna.

• En general, el acoplamiento de descargas al cableado de interior (de alimentación o de telecomunicaciones) se reduce tendiendo los cables próximos a los elementos de la esta. Ahora bien, si existen fuentes externas de descargas, las corrientes de esta tenderán a ser mayores en sus conductores periféricos. Esto ocurre, sobre todo, en los conductores de bajada del LPSEXT. Por esta razón conviene evitar el tendido de cables por la periferia del edificio. Cuando ello resulte inevitable, puede ser necesario instalar canalizaciones metálicas que encierren completamente los cables. Por lo general, el efecto de apantallamiento de las bandejas de cables resulta útil, y las canalizaciones o conductos metálicos que encierran completamente los cables ofrecen un apantallamiento casi perfecto.

• En los edificios altos con armazón de acero, puede aprovecharse la ventaja del apantallamiento que ofrece este armazón contra los impactos directos de rayos. Los cables que corren entre las plantas del edificio tendrán un máximo apantallamiento si se los sitúa cerca del centro de éste, si bien, como se deduce de lo anterior, los cables encerrados en conductos metálicos pueden estar situados en cualquier parte.

• Cuando existe una protección primaria contra sobretensiones en los hilos de telecomunicación, la misma debe tener una conexión de baja impedancia con la pantalla de los cables, si existe, y también con la CBN circundante.

• Conviene instalar dispositivos de protección contra sobretensiones en la entrada de la alimentación en alterna si el edificio de telecomunicación está situado en una región en la que las líneas de energía eléctrica están expuestas a descargas de rayos. Dichos dispositivos deben conectarse a esta con una baja impedancia.

• Cuando en un trayecto de protección de la CBN haya uniones mecánicas cuya continuidad eléctrica sea dudosa, se las deberá puentear mediante hilos volantes de baja impedancia, de acuerdo con las normas de seguridad de la compatibilidad electromagnética (ECM), y que puedan ser verificados por los inspectores.

• Facilita la continuidad eléctrica de las pantallas de cables o de los conductores exteriores de los coaxiales en ambos extremos, al proporcionar un trayecto de baja impedancia en paralelo y en las proximidades de las pantallas de cables y de los conductores exteriores. Así, la mayor parte de la corriente producida por diferencias de potencial pasa por sus elementos altamente conductores. La desconexión de la pantalla de un cable con fines de inspección debe tener un efecto lo más pequeño posible en la distribución de corrientes de esta.

Existen tres configuraciones básicas del subsistema de referencia de señal usadas con los equipos electrónicos para mejorar la operación del sistema. Es importante comprender el propósito así como las ventajas y desventajas de cada de estas configuración para seleccionar la más adecuada para la importancia y vulnerabilidad de los equipos de la aplicación específica de que se trate. En ocasiones puede usarse una combinación de estas configuraciones en diferentes partes de una instalación.

1. BN en malla (MBN, mesh-BN): Red de unión en la que todos los armazones, bastidores y armarios de equipo así como, por lo general, el conductor de retorno de energía eléctrica de corriente continua, están unidos eléctricamente entre sí y, en múltiples puntos, con la CBN. En consecuencia, una BN en malla amplía la CBN.

Principios de ejecución Una red unión equipotencial en malla se caracteriza por la interconexión en numerosos puntos de los armarios y bastidores de los equipos de telecomunicación y otros equipos eléctricos así como por las múltiples interconexiones con la CBN.

Si el conductor exterior de una interconexión de cable coaxial entre equipos de la BN en malla tiene varias conexiones con la CBN, puede necesitar un apantallamiento suplementario. Si el apantallamiento que ofrece una bandeja de cables es insuficiente, se puede conseguir un apantallamiento adicional utilizando un cable coaxial apantallado de tipo triaxial, canalizaciones o conductos cerrados.

Los métodos de continuidad eléctrica, por orden creciente de calidad en materia de EMC, son la fijación atornillada, la soldadura por puntos y la costura soldada. El mayor nivel de apantallamiento para la EMC, lo ofrecen los armarios de equipo y los recintos de hoja metálica instalados dentro de estos armarios.

Una medida de eficacia comprobada para contrarrestar la emisión o recepción indeseables de energía electromagnética, sobre todo en alta frecuencia, es una pantalla que rodee totalmente el circuito electrónico afectado. La eficacia del apantallamiento de los cables, en particular cuando el mismo constituye una prolongación de los armarios, depende de su material, de su disposición geométrica y, en especial, de su conexión a los paneles del armario en que termina el apantallamiento.

Resulta fácil añadir apantallamiento a una BN de malla. Puede ser necesario un apantallamiento suplementario si, por ejemplo, se instala en las cercanías un emisor de radiodifusión.

En algunas situaciones quizás resulte útil aumentar la BN en malla conectando todos los armazones del equipo de un bloque de sistema a una rejilla conductora situada por encima o por debajo de un grupo de armarios de equipos.

2. BN aislada (IBN, isolated bonding network): Una red de unión tiene un solo punto de conexión (SPC) ya sea con la red de unión común o con otra red de unión aislada. Todas las IBN tienen una conexión a tierra a través de la SPC.

Principios de ejecución La principal característica de una IBN es que, exceptuada su conexión monopunto, está aislada de la CBN que la circunda, cuando los conductores que penetran en el bloque de sistema lo hacen a través de la región de transición situada entre la IBN y la CBN (véase la definición de SPCW).

Dentro de los límites de una IBN, la importancia de las interconexiones múltiples entre los armarios y bastidores, etc. depende de la interconexión de los circuitos de distribución de energía eléctrica en continua y de señales. Por ejemplo, si el conductor de retorno del sistema de energía en continua tiene múltiples conexiones con los armazones de los armarios, es deseable una interconexión múltiple de estos armazones y armarios, pues ello tenderá a reducir el acoplamiento de descargas en caso de fallo de la alimentación en continua en el equipo que está dentro de la IBN.

En lo que respecta a la pantalla de los cables de pares trenzados, si una pantalla queda en circuito abierto en el extremo que termina en el equipo de la IBN mientras que el otro extremo está conectado a la CBN, las descargas que se produzcan en esta última pueden producir descargas inducidas en modo común en los pares del cable en cuestión. Si dichos pares terminan en dispositivos que pueden funcionar correctamente en presencia en tensiones de modo común en régimen permanente (por ejemplo, aisladores ópticos, transformadores o dispositivos de protección contra descargas) y estos dispositivos pueden soportar también descargas en modo común, puede resultar ventajoso el apantallamiento electrostático que ofrece una pantalla en circuito abierto.

En un cable coaxial, el conductor exterior termina, por fuerza, en los circuitos de interfaz de cada extremo. Para aislar el conductor exterior pueden utilizarse circuitos de interfaz que comprendan transformadores y aisladores ópticos. Si un cable apantallado o una guía de ondas entra en la IBN desde la CBN, la estrategia generalmente más eficaz consiste en conectar cada extremo de la pantalla o de la guía al armazón del equipo y establecer una conexión equipotencial entre el apantallamiento o la guía y la conexión monopunto.

IBN en estrella:

Este tipo de red se usa cuando los sistemas internos están localizados en zonas relativamente pequeñas y todas las líneas entran a la zona en un solo punto, como sucede en las viviendas, en los pequeños edificios comerciales, etc., y de manera general, cuando los equipos que no están interconectados por cables de señal; ver Figura 4.

Fig. 3 Ejemplo de conductores de protección en estrella.

Las componentes metálicas (ej.: gabinetes, carcasas, bastidores) de los sistemas internos se aíslan del sistema de puesta a tierra y se conectan a esta sólo mediante una única barra de unión que actúa como punto de referencia de tierra (ERP).

Todas las líneas entre equipos individuales corren en paralelo con los conductores de unión siguiendo la configuración en estrella para evitar lazos de inducción.

IBN en malla: Este tipo de red se prefiere cuando los sistemas internos se extienden sobre grandes áreas o toda la estructura, donde corren muchas líneas entre partes individuales de equipos y donde las líneas entran a la estructura por diferentes puntos.