Transcript Document 7406946

Libro de texto
4- Protección de personal y equipo
Tierras eléctricas, Armando Llamas, Jorge de los Reyes, Jesús Baez, Innovación Editorial Lagares, Monterrey, 2005.
Centro de Estudios de Energía -all
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
Centro de Estudios de Energía -all
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
Centro de Estudios de Energía -all
¿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
Adaptado de Square D,
Electrical Safety Seminar
120 Granjas
102 Carreteras
Centro de Estudios de Energía -all
Riesgos de la electricidad
•Choque o toque eléctrico,
electrocución
•Arco eléctrico, quemaduras
•Explosión, partes
metálicas a alta
velocidad y material
fundido
Centro de Estudios de Energía -all
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 las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personas calificadas
atienden la instalación.
–
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.
Centro de Estudios de Energía -all
Toque o choque eléctrico
Es la estimulación
eléctrica que
ocurre
cuando pasa
corriente eléctrica
por el cuerpo.
La cantidad de corriente que pase
El efecto en el
cuerpo depende de
Por dónde pase la corriente
La condición física de la persona
Centro de Estudios de Energía -all
Efecto de los choques eléctricos (cantidad de corriente)
20
15
10
4
.050
.030
4 A o más
Parálisis del corazón, quemaduras graves en piel y órganos
.050 A a 4 A
.1 - .2 Fibrilación ventricular
.05 - .1 Posible fibrilación ventricular
30 mA - Dificultad para respirar, asfixia,
fibrilación en niños pequeños
.015
15 mA - Los músculos del 50% de la población se paralizan
.010
.005
.001
>10 mA - Umbral de parálisis en los brazos
5 mA - GFCI Nivel de disparo
1 mA - Nivel de percepción
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
Temperatura del arco eléctrico
50 000 °C
20 000 °C
50 000 °C
Pueden causar
quemaduras
letales a distancias
de hasta 2.5 m.
La ropa al quemarse
puede causar
quemaduras
secundarias letales.
La potencia del arco puede llegar a ser la mitad de la potencia disponible
de corto circuito.
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
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
Centro de Estudios de Energía -all
La protección que ofrece la puesta a tierra de equipos
Portalámparas metálico sin
conductor de puesta a tierra.
Portalámparas metálico bien
alambrado
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
Reemplazo de receptáculos sin puesta a tierra
Circuito
Tablero con dos unidades térmicas
derivado para
tomacorrientes
Medidor kWh
Caja cuchilla y fusible
Circuito
derivado para
alumbrado
Tubería metálica de agua al interior
Varilla
Centro de Estudios de Energía -all
Contacto directo con el vivo de un tomacorrientes
La puesta a tierra de equipos no evita riesgo de electrocución en caso de contacto directo
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
Interruptor con protección de falla a tierra
Centro de Estudios de Energía -all
Operación de un interruptor con protección de falla a tierra
Centro de Estudios de Energía -all
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
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
Curvas de fibrilación ventricular y de apertura de GFCI
Tiempo (ms)
corriente (mA)
1000 10
100
1000
10000
Fibrilación ventricular
100
Tiempo máximo
10
Tiempo de disparo de
de disparo de un
un GFCI clase A típico
GFCI clase A UL
No hay reacción
1
Un GFCI clase A debe tener un tiempo de disparo máximo dado por:
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
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.
A) Unidad térmica con GFCI
•
B) Tomacorrientes con GFCI
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.
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
Bobina de inducción de voltaje
Centro de Estudios de Energía -all
0.1
0.1
0.05
0.05
Vng, V
Vng, V
Voltaje neutro - tierra a la salida de un receptáculo con GFCI
0
-0.05
0
-0.05
-0.1
-0.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
tiempo. s
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
tiempo, s
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Circuito
de disparo
Sensor de
corriente
diferencial
Bobina de
inducción
de voltaje
h
Circuito de
inducción de
voltaje
Centro de Estudios de Energía -all
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.
Centro de Estudios de Energía -all
Extensión con GFCI
Centro de Estudios de Energía -all
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.
a) El transformador enlaza a todos los conductores
Bobina de
disparo
Relé
b) El transformad
Bobina d
Centro de Estudios de Energía -all
GFPE – El transformador enlaza el PUP
b) El transformador enlaza al puente de unión principal
Bobina de disparo
Relé
Centro de Estudios de Energía -all
Protección de equipo contra fallas a tierra con sensor en neutro
Relé
Centro de Estudios de Energía -all
250-94
Tabla 250-94 Conductor del electrodo de puesta a tierra
Tamaño del conductor mayor de acometida o
área equivalente de conductores en paralelo
Cobre
Aluminio o aluminio
revestido de cobre
2 o menor
1 ó 1/0
2/0 ó 3/0
Más de 3/0 y hasta 350
kcmil
Más de 350 kcmil y hasta
600 kcmil
Más de 600 kcmil y hasta
1100 kcmil
Más de 1100 kcmil
1/0 ó menor
2/0 ó 3/0
4/0 y hasta 250 kcmil
Más de 250 kcmil y hasta
500 kcmil
Más de 500 kcmil y hasta
900 kcmil
Más de 900 kcmil y hasta
1750 kcmil
Más de 1750 kcmil
Tamaño del conductor del sistema
de electrodos
8
6
4
Aluminio o
aluminio revestido
de cobre
6
4
2
2
1/0
1/0
3/0
2/0
4/0
3/0
250 kcmil
Cobre
Centro de Estudios de Energía -all
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).
Centro de Estudios de Energía -all
250-95
Tabla 250-95. Tamaño nominal mínimo de los
conductores de tierra para canalizaciones y equipos
Capacidad o ajuste máximo del dispositivo automático
de protección contra sobrecorriente en el circuito antes
de los equipos, canalizaciones, etc.(A)
15
20
30
40
60
100
200
300
400
500
600
800
1000
1200
1600
2000
2500
3000
4000
5000
6000
Cable
Cable de
de
aluminio
cobre
14
12
10
10
10
8
6
4
3
2
1
1/0
2/0
3/0
4/0
250 kcmil
350 kcmil
400 kcmil
500 kcmil
700 kcmil
800 kcmil
12
10
8
8
8
6
4
2
1
1/0
2/0
3/0
4/0
250 kcmil
350 kcmil
400 kcmil
600 kcmil
600 kcmil
800 kcmil
1200 kcmil
1200 kcmil
Centro de Estudios de Energía -all
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).
Centro de Estudios de Energía -all
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
medidor
CFE
conductor puesto a
tierra de acometida
equipo de
desconexión principal
conductor vivo
barra de neutros
puente de unión
principal
barra de tierras
conductor del electrodo
de puesta a tierra
conductor puesto a tierra
conductor
depuesta
puestaa atierra
tierra
conductor de
de equipos
electrodo de puesta a tierra
tubería metálica de agua en interior
Centro de Estudios de Energía -all