¿Cuáles son las ventajas de utilizar un sistema de tierra común en la distribución de energía, y qué precauciones se deben tomar?

¿Qué es la puesta a tierra común?

La puesta a tiera común se refiere a la práctica en la que el sistema de puesta a tierra funcional (de trabajo), la puesta a tierra protectora del equipo y la puesta a tierra de protección contra rayos comparten un solo sistema de electrodos de puesta a tierra. Alternativamente, puede significar que los conductores de puesta a tierra de múltiples dispositivos eléctricos están conectados entre sí y vinculados a uno o más electrodos de puesta a tierra comunes.

1. Ventajas de la puesta a tierra común

• Sistema más simple con menos conductores de puesta a tierra, lo que facilita el mantenimiento y la inspección.

• La resistencia de puesta a tierra equivalente de múltiples electrodos de puesta a tierra conectados en paralelo es menor que la resistencia total de sistemas de puesta a tierra separados e independientes. Cuando se utiliza el acero estructural o el hierro armado del edificio como electrodo de puesta a tierra común—debido a su resistencia inherente baja—los beneficios de la puesta a tierra común se hacen aún más evidentes.

• Mayor confiabilidad: si falla un electrodo de puesta a tierra, otros pueden compensar.

• Reducción del número de electrodos de puesta a tierra, lo que disminuye los costos de instalación y materiales.

• En caso de un fallo de aislamiento que cause un cortocircuito de fase a chasis, fluye una corriente de falla mayor, asegurando que los dispositivos protectores operen rápidamente. Esto también reduce el voltaje de contacto cuando el personal toca el equipo defectuoso.

• Mitiga los peligros de sobretensiones por rayos.

Teóricamente, para prevenir la retroalimentación inducida por rayos, la puesta a tierra de protección contra rayos debe mantenerse a una distancia segura de las estructuras del edificio, los equipos eléctricos y sus sistemas de puesta a tierra. Sin embargo, en la ingeniería real, esto a menudo es impráctico. Los edificios generalmente tienen numerosas líneas de servicios (electricidad, datos, agua, etc.) distribuidas en amplias áreas. Especialmente cuando se utilizan los hierros armados de hormigón reforzado como conductores ocultos de protección contra rayos, resulta prácticamente imposible aislar eléctricamente el sistema de protección contra rayos de las tuberías del edificio, los cajetines de los equipos o la puesta a tierra del sistema de energía.

En tales casos, se recomienda la puesta a tierra común—conectando el neutro del transformador, todas las puestas a tierra funcionales y protectoras de los equipos eléctricos, y el sistema de protección contra rayos al mismo sistema de electrodos de puesta a tierra. Por ejemplo, en edificios altos, integrar la puesta a tierra eléctrica con el sistema de protección contra rayos forma efectivamente una jaula de Faraday utilizando el marco interno de acero del edificio. Todo el equipo eléctrico interno y los conductores conectados a esta jaula están protegidos de las diferencias de potencial inducidas por rayos y la retroalimentación.

Por lo tanto, al utilizar la estructura metálica de un edificio para la puesta a tierra, la puesta a tierra común para múltiples sistemas no solo es factible sino ventajosa, siempre y cuando la resistencia total de puesta a tierra se mantenga por debajo de 1 Ω.

2. Consideraciones clave para la puesta a tierra común

Naturaleza de las corrientes de puesta a tierra:
El riesgo asociado con el aumento de potencial de tierra (GPR) depende de la magnitud, duración y frecuencia de las corrientes de puesta a tierra. Por ejemplo, los pararrayos o varillas pueden llevar corrientes muy altas durante un impacto, pero estos eventos son breves e infrecuentes—por lo que el GPR resultante representa un riesgo limitado.

Sin embargo, la resistencia de puesta a tierra común debe satisfacer el requisito más estricto entre todos los sistemas conectados, idealmente ≤1 Ω.

En sistemas de distribución de baja tensión con neutrales solidamente puestas a tierra, el electrodo de puesta a tierra común puede llevar corrientes de fuga continuas de todas las cargas conectadas, formando corrientes circulares de tierra. Si la resistencia de puesta a tierra se desvía por encima de los límites seguros, puede poner en peligro tanto el equipo como el personal.

Además, con el uso generalizado de computadoras y equipos electrónicos sensibles, a menudo se requiere la puesta a tierra de filtro. Los filtros EMI/RFI de línea a tierra grandes introducen corrientes de fuga capacitivas significativas a la tierra, que también contribuyen a la corriente total de tierra.

Impacto del aumento de potencial de tierra en el equipo conectado:
Consideremos como ejemplo una unidad compacta de subestación interior. Tradicionalmente, el neutro del transformador, el cajetín metálico y el chasis de los equipos de carga estaban todos conectados a una puesta a tierra común. Mientras tanto, a menudo se daba a los pararrayos una puesta a tierra separada para evitar un aumento de potencial peligroso durante la descarga.

Sin embargo, si un dispositivo de carga desarrolla un fallo de aislamiento y filtra corriente, toda la corriente de bucle de falla fluye a través del electrodo de puesta a tierra común, elevando el potencial de tierra local—and, consecuentemente, el voltaje del cajetín de la caja de interruptores. Si el personal de mantenimiento abre la puerta del gabinete en estas condiciones, corre el riesgo de recibir una descarga eléctrica. Tales incidentes han ocurrido repetidamente.

Como resultado, la práctica moderna a menudo aísla la puesta a tierra funcional (por ejemplo, el neutro del transformador) de la puesta a tierra protectora y de protección contra rayos en las subestaciones interiores—incluso aunque esto aumente la complejidad de la instalación.

3. Normas y regulaciones relevantes (China)

• Según las normas actuales de la industria eléctrica china:

• Para las instalaciones eléctricas de Clase B, si el transformador de distribución suministrador no está ubicado dentro de un edificio que contenga equipos de Clase B, y su lado de alta tensión opera en un sistema no puesta a tierra, puesta a tierra con bobina de Petersen (bobina de supresión de arcos) o puesta a tierra de alta resistencia, entonces la puesta a tierra de trabajo del sistema de baja tensión puede compartir el mismo electrodo de puesta a tierra que la puesta a tierra protectora del transformador, siempre que la resistencia de puesta a tierra cumpla R ≤ 50/I (Ω) y R ≤ 4 Ω.

• Para las instalaciones eléctricas de Clase A que operan en sistemas efectivamente puestos a tierra, la puesta a tierra de trabajo del transformador debe estar ubicada fuera de la malla de puesta a tierra protectora—es decir, no se permite la puesta a tierra común.

• Si el transformador de distribución está instalado dentro de un edificio con instalaciones eléctricas de Clase B, y su lado de alta tensión utiliza puesta a tierra de baja resistencia, entonces la puesta a tierra de trabajo de baja tensión puede compartir la puesta a tierra protectora si:

• La resistencia de puesta a tierra cumple R ≤ 2000/I (Ω), y

• El edificio implementa un sistema de equipotencialidad principal (MEB).

• Además, para sistemas superiores a 1 kV clasificados como sistemas de corriente de cortocircuito de puesta a tierra grande, la puesta a tierra común es permitida si se asegura la eliminación rápida de fallas, pero la resistencia de puesta a tierra debe ser < 1 Ω.

• La puesta a tierra protectora de los transformadores de distribución en instalaciones de Clase A puede compartir el mismo electrodo de puesta a tierra que la puesta a tierra del pararrayos asociado.

4. Conclusión

La experiencia práctica muestra que en sistemas de distribución de baja tensión públicos, donde la separación completa de los sistemas de puesta a tierra a menudo es inalcanzable, la puesta a tierra común—que combina la puesta a tierra de trabajo, protectora y de protección contra rayos—es más segura, económica, simple de instalar y fácil de mantener.

Para mitigar los posibles riesgos de la puesta a tierra común, los ingenieros deben:

• Utilizar plenamente el acero estructural del edificio como electrodo de puesta a tierra natural,

• Mantener la resistencia total de puesta a tierra por debajo de 1 Ω, y

• Implementar un enlace equipotencial completo en todo el establecimiento.

Estas medidas minimizan eficazmente los peligros y garantizan el funcionamiento seguro y confiable de las instalaciones eléctricas modernas.