Sistemas de Puesta a Tierra y Calidad de Energía: La Conexión que la Mayoría de los Ingenieros Pasa por Alto

Cuando se investigan los problemas de calidad de energía, los sistemas de puesta a tierra suelen ser el último lugar donde los ingenieros buscan, pero deberían estar entre los primeros. Una infraestructura de puesta a tierra comprometida o mal diseñada es un amplificador silencioso de cada otro problema de calidad de energía en una instalación, e introduce modos de falla propios que se ven idénticos a perturbaciones más exóticas.*

Por Qué la Puesta a Tierra Es un Problema de Calidad de Energía

El sistema de puesta a tierra cumple múltiples funciones simultáneamente: proporciona un potencial de referencia para el sistema eléctrico, un camino para que la corriente de falla opere los dispositivos de protección, y protección contra sobretensiones transitorias. Cuando cualquiera de estas funciones se ve comprometida por alta impedancia de tierra, conexiones corroídas o unión inapropiada, las características de calidad de energía de todo el sistema cambian.

La alta impedancia de tierra permite la elevación del potencial de tierra durante eventos de falla, lo que aparece como ruido de voltaje en modo común en los equipos sensibles. La unión deficiente entre los tierras de los equipos y el sistema de puesta a tierra del edificio crea lazos de tierra que introducen interferencia de 60 Hz y ruido armónico directamente en los circuitos de instrumentación y comunicación.

Impedancia de Tierra y Su Efecto en las Perturbaciones del Sistema

IEEE 142 (el Libro Verde) recomienda una resistencia de electrodo de tierra de 5 ohmios o menos para la mayoría de los sistemas industriales. El objetivo real depende de la magnitud de la corriente de falla del sistema y el tiempo de despeje requerido para los dispositivos de protección. Una resistencia de electrodo de tierra que era aceptable cuando se instaló el sistema puede haberse degradado con el tiempo a medida que el electrodo se corroe o cambian las condiciones de humedad del suelo.

Las pruebas de impedancia de tierra usando los métodos de caída de potencial o de abrazadera sin contacto deben ser parte de cualquier investigación integral de calidad de energía. Una alta impedancia de tierra descubierta durante una auditoría de calidad de energía a menudo explica patrones de síntomas que de otro modo eran inconsistentes.

Voltaje Neutro-Tierra: El Canario del Sistema Eléctrico

El voltaje neutro-tierra (VNT) medido en un receptáculo o tablero idealmente debería ser menor de 1 a 2 voltios. Un VNT elevado indica que la corriente de neutro fluye a través del sistema de puesta a tierra, lo que solo puede ocurrir si los conductores de neutro y tierra están unidos en más de un punto (creando un camino paralelo) o si la impedancia del conductor de neutro es suficientemente alta como para causar una caída de voltaje significativa.

El VNT por encima de 3 a 5 voltios es un indicador confiable de un problema de puesta a tierra y está frecuentemente asociado con malfuncionamientos de equipos electrónicos, errores de comunicación de datos e interferencia en circuitos de instrumentación. Es una de las mediciones preliminares de calidad de energía más fáciles de tomar y una de las más diagnósticas.

Lazos de Tierra y Ruido en Modo Común

Los lazos de tierra ocurren cuando los equipos están conectados a dos o más puntos de referencia de tierra que están en diferentes potenciales. El flujo de corriente resultante a través de los conductores de tierra crea un campo magnético que induce tensiones de ruido en modo común en los cables de señal cercanos. En entornos industriales, los lazos de tierra son endémicos en sistemas de instrumentación, control de procesos y comunicaciones, y son una causa primaria de interferencia de señal inexplicable y malfuncionamientos de sistemas de control.

Puesta a Tierra para Cargas Electrónicas Sensibles

Los centros de datos, la instrumentación de precisión y los equipos médicos requieren un sistema de puesta a tierra que proporcione tanto un camino de baja impedancia para la corriente de falla como una referencia de señal con ruido extremadamente bajo. Estos requisitos pueden estar en conflicto: un conductor de tierra grande unido en múltiples puntos proporciona un excelente camino de corriente de falla pero puede transportar corrientes de ruido significativas. Los receptáculos de tierra aislada (IG), correctamente instalados según el Artículo 250 del NEC, proporcionan un camino de tierra separado y de bajo ruido para los equipos sensibles mientras mantienen la unión de seguridad requerida por el código.

Pruebas y Mantenimiento de tu Sistema de Puesta a Tierra

Una evaluación completa del sistema de puesta a tierra incluye: medición de la resistencia del electrodo de tierra, medición del voltaje neutro-tierra en tableros y receptáculos representativos, inspección visual de las conexiones de conductores de tierra y puentes de unión, medición con pinza de amperímetro de la corriente en conductores de tierra y neutro, y verificación de la unión de tierra en un solo punto en los tableros de distribución.

NFPA 70B recomienda pruebas periódicas del sistema de puesta a tierra como parte de un programa de mantenimiento eléctrico. La frecuencia depende de la criticidad de la instalación y las condiciones ambientales que afectan los electrodos de tierra.

Preguntas Frecuentes

¿Cómo afecta la puesta a tierra a los armónicos?

La puesta a tierra afecta a los armónicos indirectamente a través de la carga del conductor de neutro. En sistemas trifásicos, los armónicos triplenos (3°, 9°, 15°) son de secuencia cero y se suman en el conductor de neutro en lugar de cancelarse. Un conductor de neutro de alta impedancia que transporta estos armónicos desarrolla un voltaje neutro-tierra significativo que aparece como ruido en modo común en los equipos conectados.

¿Debo usar una tierra dedicada para mi sala de servidores?

El NEC requiere que todos los tierras de equipos estén unidos entre sí. Una tierra verdaderamente "aislada" no está permitida por el código. Lo que sí está permitido y es beneficioso es el sistema de receptáculos de tierra aislada, que proporciona un camino de tierra de equipo separado y de bajo ruido mientras mantiene toda la unión de seguridad requerida.