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El Cómo y Porqué del Aterramiento Aislado

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 Los beneficios del cableado  IG

 Frecuentemente, los ingenieros de electrónica impedirán la implementación apropiada del cableado IG, según se muestra en la Figura 5, porque ellos no ven aislamiento a tierra para los equipos electrónicos sensibles. Un comentario común es, ¿"Cuan bueno es, cuando el IG se conecta a la tierra de potencia AC "sucia", según lo requiere la seguridad?"

 La respuesta obvia es que el sistema y las tuberías de metal proveen de una protección EMI/RFI y de aterramiento a los conductores de potencia contenidos dentro de ellas. Pero esto es solo una parte de los beneficios del cableado IG. Un beneficio más práctico es que el cableado IG controla las conexiones de aterramiento de los  equipos electrónicos sensibles para minimizar los problemas asociadas con corrientes descarriadas de tierra. (stray ground current)

 Considere el ejemplo mostrado en la Figura 10 para una configuración estándar de aterramiento (no-IG). Las corrientes descarriadas de tierra que fluyen sobre el sistema de aterramiento origina cambios en los potenciales de tierra a lo largo del sistema aterrado. Las corrientes descarriadas de tierra son una realidad en todos los sistemas de potencia y existen bajo una variedad de condiciones, la mayoría muy dinámicas. Las corrientes descarriadas de tierra pueden ser el resultado de una descarga electrostática en las proximidades, corrientes de falla a tierra o la capacidad de acoplamiento a tierra cuando una carga se energiza.

Figura 10. Con configuraciones estándares de aterramiento, las corrientes descarriadas de tierra afectan la sensible referencia de las cargas a tierra

 La figura 10 muestra que cualquier corriente descarriada de tierra ocasionará que el potencial a tierra del tablero supere la referencia de tierra en la acometida. Con la configuración estandard de aterramiento, la referencia a tierra de los equipos del sistema de computación con respecto a la tierra del sistema  de potencia subirá también porque el terminal de aterramiento del tablero se conectan anexos y cambiará según lo haga el sistema de potencia.

 La alternativa en configuración IG se muestra en la Figura 11. La referencia a tierra de equipos, para cargas sensibles se encuentra aislada de la tubería de metal y anexa al sistema de aterramiento. Las corrientes descarriadas de tierra que fluyen sobre la tubería y el sistema anexo causa cambios en el potencial a tierra que son encerrados en la tubería y el sistema de aterramiento. Desde que las corrientes descarriadas de tierra no fluyen sobre el cableado IG, ellas no afectan (trastornan) las referencias a tierra de los sensibles equipos electrónicos. 

 Figura 11. Con la configuración de cableado IG, las corrientes descarriadas de tierra no afectan las referencias a tierra de cargas sensibles.

 Las desventajas del cableado IG

 Una desventaja potencial del cableado IG lo constituye las corrientes inducidas de los conductores de potencia. Considere la posición relativa del conductor de aterramiento (o IG) con respecto a los conductores de potencia en la bandeja o tubería de servicio (raceway). La figura 12 muestra la sección transversal de dos configuraciones posibles. En la mayoría de los manojos de cables que vienen ya construidos, la posición del conductor de tierra es la mejor, aún cuando lo mas utilizado son los conductores de potencia individuales (en vez de un cable fabricado donde la posición relativa de los conductores se controla).    

 

Figura 12. Posición relativa de un conductor de aterramiento con respecto a los conductores de potencia dentro de una tubería.

 Cuando el conductor de aterramiento no es igualmente espaciado entre los conductores de potencia, los campos magnéticos asociados con las corrientes que fluyen en los conductores de potencia no se equilibrarán en el conductor de aterramiento. Este campo magnético neto, siendo un campo de  corriente alterna (AC), inducirá corriente en el conductor de aterramiento, si este forma una trayectoria completa para que la corriente pueda  fluir (lazo a tierra).

 Los circuitos IG podrían considerarse como una solución a los problemas de corriente inducida en el sistema de aterramiento haciendo que el conductor de aterramiento llegue a tierra en un solo punto y que no forme lazo cerrado que permita a la corriente fluir. Esto será cierto mientras el equipo conectado en el receptáculo IG de no tenga otras conexiones a tierra con el sistema de potencia. Para los sistemas interconectados; estos tienen más de un punto de sus equipo interconectados simultáneamente  para el envío de datos, la comunicación o cables  de control, en este caso el uso del cableado  IG  puede hacer que el problema de la corriente inducida empeore. 

Figura 13. Las Corrientes Inducidas en Sistemas Interconectados usando técnicas de cableado IG

 Considere el sistema interconectado mostrado en la Figura 13. Un camino cerrado para la corriente inducida en el conductor IG se completa por la interconexión para  datos, comunicación o cables de control. Las corrientes inducidas por los conductores de potencia son forzadas a fluir por los cables de interconexión, donde hay una oportunidad mayor de trastornar o dañar la carga sensible. Las corrientes inducidas sobre el cableado del sistema interconectado han conducido a la práctica generalizada de aterrar la malla del cable de interconexión únicamente al final. Mientras que esta práctica permite romper el lazo de tierra, también permite la posibilidad de voltajes dañinos o inseguros que se puedan desarrollar en el sistema, particularmente durante una falla a tierra, relámpago u otra oscilación. 

 Las corrientes inducidas en los cables de interconexión pueden ser algo problemático para los sistemas electrónicos sensibles al tener señales sobre los cables de interconexión las que pueden ser trastornadas o modificadas por las frecuencias de sistema de potencia (60 Hz y los armónicos de 60 Hz). Los ejemplos de los sistemas observados son sensibles a las frecuencias de sistema de potencia lo que incluye equipos de audio, equipos de video, y procesadores analógicos de señal. 

 Las técnicas de aterramiento estándar, usan un conductor de aterramiento aislado conectado a todas las partes metálicas, lo que los hace menos propensos a problemas con corrientes inducidas por los conductores de potencia en el conductor de aterramiento. (Figura 14). Cuando un conductor de aterramiento aislado se enruta con los conductores individuales de potencia, los campos magnéticos netos resultantes desde los conductores de potencia inducirán corrientes en cualquier bucle donde se encuentre el conductor de aterramiento aislado. Con las técnicas de aterramiento aislado, la tubería de metal o bandeja (raceway) se encuentra eléctricamente en paralelo con el conductor aislado de tierra. La resultante corriente de aterramiento inducida fluirá sin las consecuencias prácticas en el conductor de tierra y el sistema de tuberías. La corriente inducida se desvía y normalmente no fluye en los típicos lazos de alta impedancia involucrados en la interconexión de datos, comunicaciones o cables de control.

   

Figura 14. Flujo de corriente inducida a tierra con técnicas de cableado no estándar (No-IG).

 A veces las técnicas  de cableado IG se implementan inadvertidamente. tal es el caso cuando se utilizan tuberías y accesorios no metálicos, no porque ellos interrumpen el sistema de conducción, pero por razones ambientales, tales como en ambientes corrosivos o a causa del entierro directo en la tierra o concreto. Desde la bandeja (raceway) no se provee una trayectoria efectiva a tierra, y se utiliza un conductor aislado para aterramiento. Este sistema no metálico comparte algunas de las características del cableado  IG, desde los conductores de aterramiento aislados quienes típicamente tienen una única conexión a tierra en el sistema de potencia. Este sistema  de bandeja (raceway) no metálico también tiene los mismos intereses con las corrientes inducidas a tierra y el sistema interconectado como en el cableado IG. Una diferencia importante del sistema de bandeja (raceway) no metálica  de las técnicas de cableado IG  discutidas previamente es que el sistema de bandejas (raceway) no metálicas los sistemas no proveen el blindaje EMI/RFI que brinda el sistema metálico.

 Referencias

 1.    Denny, Grounding for the Control of EMI, Don White Consultants, Inc., 
     Gainesville, VA, 1983.

2.    ANSI/NFPA 70-1993, National Electrical Code, National Fire Protection Association, Batterymarch Park, Quincy, MA, 1992.

3.    CSA Std. C22.1, Canadian Electrical Code, Canadian Standards Association, Ontario, Canada, 1990.

4.    E.C. Soares, Grounding Electrical Distribution Systems for Safety, Marsh Publishing Company, Inc., Wayne, NJ, 1966.

5.    R.H. Kaufmann, "Some Fundamentals of Equipment Grounding Circuit Design," AIEE Transactions, November 1954, pp. 227-232.

6.    T.M. Gruzs, "Computer Systems Need Isolated Ground That Is Safe and Noise Free," Computer Technology Review, Spring 1988, pp. 103-108.

7.    W.H. Lewis, "The Use and Abuse of Insulated/Isolated Grounding," IEEE Transactions On Industry Applications, Vol. 25, No. 6, November/December 1989, pp. 1093-1101.

8.    IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment, The Emerald Book, IEEE Std. 1100-1992.

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