Libro de texto 4- Protección de personal y equipo Tierras eléctricas, Armando Llamas, Jorge de los Reyes, Jesús Baez, Innovación Editorial Lagares, Monterrey, 2005.

Protección de personal y de equipos Contenido Protección de personal y de equipos ¿Dónde ocurren las electrocuciones? Riesgos de la electricidad ELECTROCUCIÓN ARCO ELÉCTRICO EXPLOSIÓN La protección que ofrece la puesta a tierra de equipos Interruptor con protección de falla a tierra PRINCIPIO DE OPERACIÓN RECEPTÁCULO GFCI PARA PROTEGER OTROS RECEPTÁCULOS UNIÓN ILEGAL NEUTRO - TIERRA EXTENSIONES CON PROTECCIÓN DE FALLA A TIERRA Protección de falla a tierra de equipos Dimensiones de los conductores

Introducción LA SOCIEDAD moderna ha sido beneficiada por la electricidad. Damos por hecho que contaremos con los servicios y el confort que proporcionan los equipos que utilizan energía eléctrica. Sin embargo, una instalación eléctrica sin los elementos necesarios de seguridad y protección nos puede ocasionar graves perjuicios y es así como la puesta a tierra de equipos y de sistemas eléctricos es importante. Un equipo sin puesta a tierra o un sistema no aterrizado también pueden proporcionar servicios y confort; pero con menor seguridad y confiabilidad, poniendo en riesgo a las personas y a sus propiedades Las cuchillas en media tensión permiten, mediante la desconexión, el acceso a apartarrayos y terminales de media tensión del transformador. Además protegen al transformador contra daño por sobrecarga y corto circuito. Los apartarrayos protegen al devanado primario contra sobrevoltajes transitorios. La función de éstos es limitar las excursiones de los voltajes en terminales primarias con respecto al tanque que contiene los devanados. Es por esto que la unión de apartarrayos a terminales primarias y a tanque debe ser los más directa posible. El sistema de electrodos está formado por un electrodo por dos electrodos artificiales y la tubería del agua. Los tres deben estar unidos, como se indica en la figura. El gabinete del transformador y del equipo de desconexión principal son uno solo, como en una subestación unitaria. Este gabinete se una al sistema de electrodos en dos puntos , en el conductor de bajada del apartarrayos y en el conductor del sistema de electrodos. Una variante consistiría en eliminar la bajada de pararrayos, uniendo sólo a tanque de transformador- y gabinete de equipo de desconexión principal y bajar a sistema de electrodos sólo en el conductor del sistema de electrodos. Los dos electrodos artificiales se unen ahora a nivel del terreno, ver siguiente SLIDE. El secundario del transformador forma un sistema derivado separadamente y como tal se debe conectar a tierra. La barra de neutros, aislada del gabinete se une a la barra de tierras mediante el puente de unión principal, PUP. El conductor puesto a tierra o neutro se une sólo en este punto a tierra. Los gabinetes, las canalizaciones metálicas se deben unir a tierra. Situación que se enfatiza en la figura mediante los puntos rellenos que indican unión. Estas uniones deben ser mediante conectores apropiados. De ninguna manera son apropiados los llamados “entorchados”. Un entorchado en puestas a tierra denota un instalación de mala calidad.

¿Dónde ocurren las electrocuciones? Muertes promedio anuales ocasionadas por electrocución en un período de 25 años (1960-1985) EEUU 474 Hogar 384 Empresas 120 Descargas atmosféricas 120 Granjas Adaptado de Square D, Electrical Safety Seminar 102 Carreteras

Riesgos de la electricidad Choque o toque eléctrico, electrocución Arco eléctrico, quemaduras Explosión, partes metálicas a alta velocidad y material fundido

Excepciones 250-5 EXCEPCIÓN 1: Los sistemas eléctricos usados exclusivamente para suministrar energía a hornos eléctricos industriales para fundición, refinado, templado y usos similares. EXCEPCIÓN 2: Los sistemas derivados independientes utilizados únicamente para rectificadores que alimenten sólo a motores industriales de velocidad variable. EXCEPCIÓN 3: Eléctrica nominal del primario sea inferior a 1 000 V, siempre que se cumplan las condiciones siguientes: Que el sistema se use exclusivamente para circuitos de control. Que las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personas calificadas atienden la instalación. Que haya continuidad de la energía en el control. Se instalan detectores de falla a tierra en el sistema de control. EXCEPCIÓN 4: Los sistemas aislados, tal como lo permiten los artículos de la Norma Oficial Mexicana. NOTA: El uso de detectores adecuados de tierra en instalaciones sin aterrizar, puede ofrecer mayor protección. EXCEPCIÓN 5: Los sistemas con neutro a tierra a través de una alta impedancia en el que la impedancia a tierra, generalmente una resistencia, limite al mínimo el valor de la corriente eléctrica de falla a tierra. Se permiten sistemas con neutro a tierra a través de una alta impedancia en instalaciones trifásicas de c.a. de 480 a 1 000 V, siempre que se cumplan las condiciones siguientes: Que se requiera continuidad en la energía. Que se instalen detectores de falla a tierra en el sistema. Que el sistema no alimente cargas de línea a neutro.

Toque o choque eléctrico Es la estimulación eléctrica que ocurre cuando pasa corriente eléctrica por el cuerpo. La cantidad de corriente que pase Por dónde pase la corriente La condición física de la persona El efecto en el cuerpo depende de

Efecto de los choques eléctricos (cantidad de corriente)

Ejemplo 1 Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 kW, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 W, y la de contacto con suela mojada de cuero es 12 kW. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá. SOLUCIÓN: La resistencia total es 15 kW, la corriente es 8.0 mA. Le dolerá y podrá soltar.

EJEMPLO 2 Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 kW, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 W, y la de contacto con suela de cuero seca es 100 kW. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá. SOLUCIÓN: La resistencia total es 103 kW, la corriente es 1.2 mA. Apenas sentirá un leve dolor.

EJEMPLO 3 Un hombre adulto toca una tubería energizada con 120 V, la resistencia de contacto con la tubería es de 2.4 kW, la resistencia del cuerpo sin considerar la piel es de 600 W, y la de contacto con suela de hule es 20 MW. Estime la corriente que pasa por esa persona y determine qué efecto le producirá. SOLUCIÓN: La resistencia total es 20 MW La corriente es 0.006 mA. Muy por debajo del umbral de percepción.

Arco Eléctrico Ocurre un arco eléctrico cuando fluye una cantidad importante de corriente eléctrica a través de lo que previamente era aire El aire no es conductor, el flujo de la corriente se lleva a cabo en el vapor del material de la terminal del arco y el aire ionizado. Esta mezcla de materiales, a través de las cuales fluye el arco, se conoce como plasma.

Temperatura del arco eléctrico Pueden causar quemaduras letales a distancias de hasta 2.5 m. La ropa al quemarse puede causar quemaduras secundarias letales. 50 000 °C 20 000 °C 50 000 °C La potencia del arco puede llegar a ser la mitad de la potencia disponible de corto circuito.

Explosión Los arcos sobre calientan el aire instantáneamente. Esto ocasiona una rápida expansión del aire, dando lugar a frentes de onda con presiones de 100 a 200 libras por pulgada cuadrada. Tales presiones son suficientes para hacer explotar interruptores y transformadores, ocasionando que salga metal a altas velocidades . En muchas ocasiones el arco no va acompañado de una explosión; pero cuando la explosión ocurre puede ser fatal.

Protección Guantes Un par de guantes clase 0 y Un par de guantes del voltaje mayor en la planta Mangas aislantes, consistentes con las clases de guantes Tapetes aislantes, consistentes con los voltajes en los que trabajará Probadores de voltaje Uno de baja tensión Uno de media tensión Candados, dispositivos y etiquetas de bloqueo Cascos, ANSI Z89.1 clase B Gafas de seguridad ANSI Z87.1 Señalamientos de PELIGRO - ALTO VOLTAJE y cinta de bloqueo Equipo de puesta a tierra Ropa Retardante Flama - mínimo de 6 oz / yd2 Traje arco eléctrico Diagrama unifilar

La protección que ofrece la puesta a tierra de equipos Portalámparas metálico sin conductor de puesta a tierra. Portalámparas metálico bien alambrado

NOM 210-7, 250-81 y 250-50 La sección 210-7 de la NOM indica que los receptáculos de 15 y de 20 A deben ser con puesta a tierra de equipos. En la mayoría de las instalaciones residenciales no se instala el conductor de puesta a tierra de equipos y, sólo se instalan tomacorrientes con dos terminales. El conductor de puesta a tierra de equipos debe ir dentro de la misma canalización que el resto de los conductores del circuito para garantizar una baja impedancia, 250-81 de la NOM Sin embargo, en instalaciones existentes puede ser complicado retirar el alambrado existente para incluir el conductor de puesta a tierra de equipos. La sección 250-50 de la NOM señala que para reemplazar receptáculos sin puesta a tierra por receptáculos con puesta a tierra, se puede unir la caja del receptáculo con cualquier punto accesible del sistema de electrodos.

Reemplazo de receptáculos sin puesta a tierra Identifique el neutro (punto central del transformador) Identifique el conductor puesto a tierra. Identifique la barra de neutros Identifique la barra de tierras Identifique el puente de unión principal Identifique puentes de unión

Contacto directo con el vivo de un tomacorrientes La puesta a tierra de equipos no evita riesgo de electrocución en caso de contacto directo

Contacto directo en un tostador La falta de protección no se presenta sólo con el contacto directo y con la terminal no puesta a tierra del tomacorrientes, puede ocurrir de diversas maneras, e.g., al introducir un cubierto metálico en el tostador de pan.

Interruptor con protección de falla a tierra

Operación de un interruptor con protección de falla a tierra

EJEMPLO 4 ¿Qué papel desempeña el conductor de puesta a tierra en la operación del interruptor de circuitos de falla a tierra? SOLUCIÓN: Ninguno, el conductor de puesta a tierra de equipos no es indispensable para la operación del Ground Fault Circuit Interrupter, GFCI

EJEMPLO 5 Debido a que el conductor de puesta a tierra de equipos no es necesario para la operación del GFCI, se puede eliminar el conductor de puesta a tierra de equipos. SOLUCIÓN: No, el conductor de puesta a tierra de equipos no se debe eliminar, ya que la caja y la canalización metálicas podrían quedar energizadas, y el GFCI no protegería.

Curvas de fibrilación ventricular y de apertura de GFCI Un GFCI clase A debe tener un tiempo de disparo máximo dado por:

LA SECCIÓN 210-8 SITIOS EN LOS QUE ES OBLIGATORIO EMPLEAR UN GFCI indica que en las instalaciones residenciales se deben instalar receptáculos con interruptor con protección de falla a tierra en los siguientes sitios: Los baños. Las cocheras. Exteriores. Los muebles de cocina y los que estén instalados para alimentar utensilios eléctricos en las barras de la cocina. Cuando estén a 1.8 m o menos del borde del fregadero. GFCI en receptáculos de 15 A y de 20 A en cuartos de baño y en azoteas – aunque no se trate de viviendas.

GFCI en instalaciones temporales de sitios en construcción La sección 305-6 indica que en las instalaciones temporales de sitios en construcción los receptáculos de 120 y 127 V deben contar con interruptores con protección de falla a tierra. La protección de falla a tierra para las personas en las residencias y en los sitios de construcción también se puede obtener en los interruptores termomagnéticos y en las unidades térmicas que protegen un alimentador o un circuito derivado como lo indica la sección 215-9.

EJEMPLO 6 El interruptor con protección de falla a tierra de un receptáculo sigue protegiendo aun si se abre el conductor puesto a tierra que lo alimenta. SOLUCIÓN: Falso. La electrónica requiere de los dos conductores (vivo y neutro) para alimentarse, si se abre el neutro la electrónica no tiene energía y se ve impedida para cumplir su función de protección, creando así un grave riesgo de electrocución, pues el vivo sigue estando conectado a la salida del receptáculo.

RECEPTÁCULO GFCI PARA PROTEGER OTROS RECEPTÁCULOS LOS RECEPTÁCULOS con GFCI pueden alimentar otros receptáculos, mediante las terminales de carga. Es muy importante NO intercambiar las terminales.

EJEMPLO 7 Explique porqué un tomacorrientes con GFCI con la alimentación alambrada por las terminales de carga no ofrece protección de falla a tierra. SOLUCIÓN: La figura muestra un receptáculo con interruptor con protección de falla a tierra con la alimentación alambrada erróneamente. Si alguien tocara la terminal no puesta a tierra del receptáculo, la corriente pasaría por la protección de sobrecorriente y saldría por la terminal viva del receptáculo, pasaría por la persona y, a través del terreno y/o una estructura metálica puesta a tierra, llegaría a la unión neutro - tierra. Todo esto sin que la protección opere, ya que la corriente nunca pasa por el interruptor con protección de falla a tierra.

UNIÓN ILEGAL NEUTRO - TIERRA UNA UNIÓN ilegal entre neutro y tierra de las terminales del receptáculo o en la carga disminuye la protección personal que ofrece normalmente un tomacorrientes con GFCI.

EJEMPLO 8 Consideremos que en la Figura, 16 mA pasan por la persona y que 13 mA retornan por el hilo neutro. ¿El GFCI protegería a la persona? SOLUCIÓN: No, los 3 mA restantes, los que retornan por la puesta a tierra de equipos y por el terreno serían insuficientes para ocasionar el disparo del GFCI.

Bobina de inducción de voltaje

Voltaje neutro - tierra a la salida de un receptáculo con GFCI

EJEMPLO 9 Agregue lo necesario al esquema del GFCI en filminas anteriores para ilustrar la manera en que el GFCI dispara con una unión NG en terminales del receptáculo. SOLUCIÓN: La Figura muestra el lazo de corriente, la unión N-G ocasiona que en lugar del voltaje inducido se presente una corriente.

EXTENSIONES CON PROTECCIÓN DE FALLA A TIERRA EN LOS ESTADOS UNIDOS es obligatorio que en las construcciones se empleen extensiones que incorporan un interruptor con protección de falla a tierra como el mostrado en la Figura. En las construcciones las extensiones se maltratan de manera considerable y la pérdida del conductor puesto a tierra dejaría al personal sin la protección, ver el EJEMPLO 6.

Extensión con GFCI

Protección de falla a tierra de equipos Desde 1971, el NEC obliga a que en equipos de desconexión principal en más de 150 V al neutro y menos de 600 V entre fases se instale protección de falla a tierra de equipos (Ground-Fault Protection of Equipment, GFPE), si la capacidad nominal del dispositivo de protección contra sobrecorriente es de 1 000 A o más, NOM 230-95.

GFPE – El transformador enlaza el PUP

Protección de equipo contra fallas a tierra con sensor en neutro

250-94

Uso de la Tabla 250.94 Conductor del sistema de electrodos, 250-94 Tubería metálica de agua, 250-81 (a) Acero estructural, 250-81 (b) Ufer, 250-81 (c) Anillo de tierra, 250-81 (d) Tubería y varilla, 250-83 (c) Placa, 250-83 (d) Conductor puesto a tierra de generador de emergencia con transferencia de tres polos, 445-5, 250-23 (b) Conductor puesto a tierra de acometida, 250-23 (b) Conductor del sistema de electrodos de un sistema derivado separadamente, 250-26 (b) Puente de unión a equipos en el lado del suministro del equipo de desconexión principal, 250-79 (d) Puente de unión principal, 250-79 (d) Unión a tubería interior metálica de agua, 250-80 (a) Unión a acero estructural, 250-80 (c).

250-95

Uso de tabla 250-95 Conductores de puesta a tierra de canalizaciones y equipos, 250-95 Unión a equipo en el lado de la carga del equipo de desconexión principal, 250-79 (e) Unión a tubería metálica de agua interior en edificios de varios departamentos en los que el sistema interior de tubería metálica para agua de cada departamento esté aislado metálicamente de los demás por medio de tubería no-metálica, 250-80 (a) Excepción Unión a tubería metálica interior distinta a la del agua, 250-80 (b).

EJEMPLO 11 Una acometida monofásica de dos hilos calibre 8 llega a un medidor y de allí al equipo de desconexión principal como se muestra en la Figura. La protección contra sobrecorriente es de 40 A. Considere conductores de cobre. Suponga que la barra de tierras está aislada del gabinete del equipo de desconexión principal, y que se requiere un puente de unión de la barra al gabinete. Determine el calibre mínimo: a) del puente de unión principal, b) del conductor de puesta a tierra de equipos a la base metálica del medidor, c) del conductor del electrodo, d) puente de unión de barra de tierras al gabinete del equipo de desconexión principal, e) puente de unión a la tubería interior de agua, f) conductor de puesta a tierra de equipos a la carga. SOLUCIÓN: La tabla 250-94 indica que el calibre mínimo debe ser # 8 y la tabla 250-95 indica calibre # 10. a) # 8, b) # 8, c) # 8, d) # 8, e) # 8, f) #10