Cómo diseñar un sistema de suministro de energía con puesta a tierra

Los sistemas con puesta a tierra se prefieren antes que los sistemas sin puesta a tierra por varios motivos. Los sistemas con puesta a tierra estabilizan los niveles de voltaje en todo el sistema, lo que garantiza que todo el equipo en el sistema opere bajo la misma diferencia de potencial. Esto es particularmente importante para un USP, ya que tiene la tarea de regular con precisión los niveles de voltaje tanto a su salida como en su bus de cc, y la regulación exacta del voltaje requiere una referencia sólida y estable al suelo para mantenerse. Los sistemas con puesta a tierra también mitigan los picos de voltaje debido a rayos, ayudan a prevenir las diferencias entre diferentes equipos en el sistema, y proporcionan un circuito para que la corriente con falla a tierra fluya a través de los conductores del circuito a tierra nuevamente hacia la fuente de suministro, lo que permite que los dispositivos de protección contra sobrecorriente operen rápidamente y aíslen la falla.

NFPA 70: el Código Eléctrico Nacional (NEC, National Electrical Code), artículo 250.4, proporciona requerimientos generales basados en el rendimiento para los sistemas con puesta a tierra en 250.4(A) y los sistemas sin puesta a tierra en 250.4(B). Los sistemas con puesta a tierra tienen cinco requerimientos: puesta a tierra del sistema eléctrico, puesta a tierra del equipo eléctrico, unión del equipo eléctrico, unión de los materiales de conducción eléctrica y trayectoria de corriente de falla a tierra efectiva.

En particular, los cuatro requerimientos de los sistemas detallados en 250.4(B) son similares o idénticos a los últimos cuatro requerimientos de los sistemas con puesta a tierra. Justo como en los sistemas con puesta a tierra, los sistemas sin puesta a tierra requieren que los materiales conductivos que no transporten corriente que encierran conductores o equipos, y aquellos que probablemente puedan energizarse, se conecten a tierra a través de una trayectoria de impedancia baja. La superposición entre estos dos conjuntos de requisitos ilustra la noción de que diseñar un sistema sin puesta a tierra no es tan diferente de diseñar uno con puesta a tierra.

Para comprender lo que el NEC exige de un sistema de UPS sin transformadores cuando está operando sin puesta a tierra durante la descarga de la batería, primero debemos identificar cómo se define este sistema en los términos del NEC. Cuando un disyuntor de entrada está abierto, el UPS no está conectado al sistema de potencia ascendente y, por lo tanto, al servicio de suministro, a través de conductores de circuito diferentes de los utilizados para la puesta a tierra y la unión.

Es importante tener en cuenta que, aunque el recinto del UPS y el equipo descendente estén efectivamente conectados al recinto de fuente de suministro en esta condición, no se considera que el sistema esté conectado a tierra a menos que un conductor que transporta corriente esté conectado al piso. Por lo tanto, el NEC define el sistema en este estado como un sistema derivado por separado y las baterías del USP como una fuente derivada por separado. Los requerimientos de puesta a tierra para los sistemas derivados independientes sin puesta a tierra se definen en el artículo 250.30(B)

Esta sección del NEC requiere tres componentes: conductor de electrodos con puesta a tierra, sistema de electrodos de puesta a tierra y puente de conexión del lado del suministro. El último de estos componentes solo es necesario cuando la fuente de un sistema derivado independiente está ubicada en un recinto separado de los primeros medios de desconexión. Este generalmente no será el caso de un UPS, ya que el disyuntor de salida del UPS habitualmente se encuentra en el recinto del UPS.

Los tres componentes de puesta a tierra también son obligatorios en los sistemas derivados independientes con puesta a tierra. Esencialmente, el recinto del UPS debe estar conectado a tierra a través del sistema de electrodos de puesta a tierra del edificio mediante un conductor de electrodos con puesta a tierra. Esta conexión en un sistema sin puesta a tierra funciona como el punto de referencia de puesta a tierra para todo el equipo conductor en el sistema sin puesta a tierra que no tiene corriente en condiciones normales.  

Conexión a tierra del sistema

Los fabricantes de UPS tienen diversas soluciones para el problema de cómo garantizar que un UPS mantenga una referencia al suelo cuando no tenga puesta a tierra, para asegurar que la regulación de voltaje del UPS permanezca estable. Algunos fabricantes derivan una "puesta a tierra virtual" en el punto común de los filtros de entrada y salida del UPS para lograr este fin. Esta frecuentemente es una función estándar, especialmente en los modelos de UPS más nuevos, pero en algunos casos se requiere un accesorio opcional. Cuando especifique un UPS sin transformadores, especialmente un sistema de tres fases y tres cables, tenga cuidado al momento de considerar cómo funcionará sin puesta a tierra.

Las reglas que rigen el sistema de electrodos de puesta a tierra y los conductores de electrodos con puesta a tierra se encuentran en la Parte III del artículo 250 del NEC. El mismo sistema de electrodos de puesta a tierra que se utiliza para el edificio en su totalidad debe usarse para cualquier sistema derivado independiente, de conformidad con el NEC 250.58, por lo que se exige una conexión entre el electrodo de puesta a tierra del edificio y el recinto del UPS a través de un conductor de electrodos con puesta a tierra. De este modo, todos los requerimientos para los materiales del sistema de electrodos de puesta a tierra enumerados en NEC 250.52 y la instalación detallada en 250.53 se aplican en esta situación.

De manera similar, las reglas que rigen a los conductores de electrodos con puesta a tierra no son diferentes entre los sistemas con o sin puesta a tierra. Los artículos 250.62 y 250.64 del NEC rigen los materiales y los métodos de instalación de los conductores de electrodos con puesta a tierra, respectivamente. El tamaño requerido de los conductores de electrodos con puesta a tierra utilizados debe determinarse a través de los requerimientos de NEC 250.66, los cuales varían en función del tipo de electrodo utilizado, el tamaño del conductor más grande sin puesta a tierra o el conjunto de conductores en el sistema, y el material del conductor de electrodos con puesta a tierra.

Independientemente del tamaño del sistema, el conductor de electrodos con puesta a tierra siempre debe ser como mínimo de No. 8 AWG para cobre y No. 6 AWG para aluminio y, a menos que lo reemplacen enmiendas o requisitos de la autoridad que tiene jurisdicción (AHJ), el conductor de electrodos con puesta a tierra no debe ser mayor de No. 3/0 AWG para cobre o 250 kcmil para aluminio. Finalmente, los requisitos de unir los conductores de electrodos con puesta a tierra al sistema de electrodos de puesta a tierra se cubren en NEC 250.68. 

Sistemas sin conexión a tierra

Hasta ahora, las reglas de puesta a tierra que debatimos y que cubren los sistemas sin puesta a tierra son muy similares a aquellas que cubren los sistemas con puesta a tierra. De hecho, si uno emplea un diseño robusto de puesta a tierra para un sistema que normalmente está conectado a tierra y garantiza que el UPS y los recintos del gabinete de la batería están conectados al sistema de electrodos de puesta a tierra del edificio a través de conductores de electrodos con puesta a tierra del tamaño adecuado, se cumplirán casi todos los requisitos de un sistema sin puesta a tierra cuando el UPS descargue sus baterías y se convierta en un sistema sin puesta a tierra durante la transferencia de potencia.

Sin embargo, hay una diferencia clave entre la conducta de los sistemas con o sin puesta a tierra que impone un requerimiento adicional sobre los sistemas sin puesta a tierra. Esta diferencia aparece cuando ocurre una falla individual de línea a tierra en el sistema.

En un sistema con una sólida puesta a tierra, la conexión de (generalmente) el cable neutro al suelo en la fuente de suministro significa que se formará un circuito completo cuando ocurra una falla individual de línea a tierra. Esto permite que circule una gran cantidad de corriente de pérdida a través de la trayectoria de impedancia baja creada por la falla, lo que causa que un dispositivo de protección contra sobrecorriente (OCPD, overcurrent protective device) equipado con detección de fallas a tierra funcione y aísle rápidamente la falla.

Sin embargo, en un sistema sin puesta a tierra, no se creará un circuito cuando ocurra una falla individual de línea a tierra a través de la cual pueda circular corriente de pérdida. En cambio, el conductor defectuoso simplemente se conecta a tierra y los potenciales de una línea a otra entre la fase fallada y las otras fases sin fallas se convierten en potenciales líneas a tierra. No obstante, el valor de la diferencia de potencial entre las fases no cambia. Esto no tendrá un efecto notorio en el rendimiento del sistema cuando ocurra, pero si la falla no se repara y se produce una segunda falla de línea a tierra, se producirá una doble falla de línea a tierra, lo que creará más corrientes de pérdida y el potencial de que el equipo eléctrico sufra más daño e implicará un mayor riesgo para la seguridad del personal. Como en los sistemas con conexión a tierra, una falla de fase a fase en un sistema sin puesta a tierra generará corriente de pérdida y generalmente causará que un dispositivo de protección contra sobrecorriente funcione y aísle la falla.

Para garantizar que las fallas individuales de línea a tierra no pasen desapercibidas, NEC 250.21(B) exige que los sistemas sin puesta a tierra cuenten con detectores de tierra en un punto lo más cercano posible a la fuente de suministro del sistema. Un detector con puesta a tierra controla la diferencia de potencial entre los conductores de la fase del sistema y la puesta a tierra en la parte no conectada a tierra del sistema al cual está conectado. Si hay una falla a tierra en el sistema, este emite una señal visual o auditiva para alertar a los operadores o al personal de mantenimiento. Los operadores pueden entonces iniciar un apagón del sistema de manera ordenada para poder encontrar y reparar la falla. Esto es especialmente importante en un sistema que cuenta con el servicio de un UPS, ya que los apagones ordenados de cargas críticas generalmente son necesarios para minimizar el riesgo de seguridad vital o interrupción de las funciones comerciales.

Por ejemplo, puede ser costoso iniciar un apagón de un sistema informático crítico debido a la presencia de una falla a tierra en el sistema, pero seguramente será mejor eso que una desconexión abrupta de la energía para esas mismas computadoras. La mayoría de los sistemas de UPS contendrán un mecanismo de detección de tierra, pero es importante verificar que este componente esté incluido para garantizar el cumplimiento con este requerimiento.

La detección de fallas a tierra es especialmente importante cuando un sistema se desconecta de la tierra temporalmente, como mientras un UPS sin transformadores está descargando su batería debido a una falla en la fuente de entrada, porque es probable que se vuelva a conectar a tierra cuando la potencia de entrada regrese. Cuando se restaura la energía, ya sea que vuelva la fuente de servicios públicos o debido a un generador que se pone en funcionamiento, el disyuntor de entrada del UPS se cerrará y el sistema volverá a tener puesta a tierra. Si la falla a tierra persiste en el sistema cuando esto ocurre, la corriente de falla a tierra circulará a través de la falla. Un detector de puesta a tierra en el UPS puede prevenir esta situación a través de una desconexión preventiva antes de que la corriente de pérdida tenga posibilidades de circular. 

Detección

Para garantizar que un detector de fallas a tierra pueda operar correctamente a lo largo de todo el sistema sin puesta a tierra, es importante verificar que cumpla con los requisitos de conexión del recinto del UPS al sistema de electrodos de puesta a tierra (que se explicó anteriormente), así como con los requisitos de adhesión de objetos metálicos que no transporten corriente, cubiertos en la Parte V del NEC artículo 250. Esto garantiza que cualquier punto en el sistema sin puesta a tierra en el cual la falla a tierra tiene probabilidades de ocurrir tenga una referencia sólida al suelo mediante la conexión del recinto del UPS al sistema de electrodos de puesta a tierra, y que el detector pueda detectar con precisión una condición de falla a tierra.

Además de los requisitos para los sistemas de CA sin puesta a tierra, el NEC contiene requisitos adicionales para los sistemas de CC sin puesta a tierra. Esto se aplica a los sistemas de cc de 2 cables más comunes, ya que la Sección 250.162(B) exige que los sistemas de cc de 3 cables tengan puesta a tierra. Por supuesto, un UPS contendrá un sistema de CC, más específicamente la conexión entre el sistema de almacenamiento de energía y el inversor de salida. El artículo 250.169 del NEC detalla los requisitos para un sistema derivado independiente de cc sin puesta a tierra. Estos requisitos son similares a aquellos del sistema de CA, más específicamente que el recinto de la fuente tenga una puesta a tierra a través del sistema de electrodos de puesta a tierra del edificio o mediante un conductor de electrodos con puesta a tierra.

No obstante, tenga en cuenta que el tamaño del conductor de electrodos con puesta a tierra para un sistema de CC se rige por una sección diferente de la de un sistema de CA, más específicamente la Sección 250.166, que exige que el conductor de electrodos con puesta a tierra no sea menor que el conductor más grande suministrado por el sistema de CC. Sin embargo, se aplican las mismas exigencias de tamaños mínimos y máximos del conductor de electrodos con puesta a tierra para diversas instalaciones tanto para sistemas de CA como de CC. Con la mayoría de las instalaciones de UPS, no se tienen consideraciones especiales para el sistema de cc, ya que generalmente el sistema de cc tiene puesta a tierra en el recinto de la batería, aunque es importante verificar que este sea el caso en una instalación dada.

En caso de que se deban hacer consideraciones especiales de diseño, para considerar qué podría constituir la mejor práctica para diseñar el sistema de puesta a tierra para la parte de cc de un UPS en un sistema sin puesta a tierra, puede resultar útil considerar una situación un tanto analógica: un sistema solar fotovoltaico sin puesta a tierra.

Los sistemas solares fotovoltaicos no son raros por muchos de los motivos que los sistemas de UPS sin transformadores se han vuelto populares. De manera similar que la parte de CC de un sistema de UPS durante una transferencia de energía, un sistema fotovoltaico sin puesta a tierra es un sistema de CC sin puesta a tierra que alimenta a un sistema de CA a través de un inversor. De hecho, la mayoría de los sistemas fotovoltaicos tienen sistemas de almacenamiento de energía como parte del sistema de cc, tal como en un UPS. Entonces, si bien no son requisitos, las reglas y los comentarios del NEC con respecto a los sistemas fotovoltaicos que aparecen en el artículo 690, particularmente en la Parte III y en la Parte V, pueden ser instrucciones para pensar sobre la puesta a tierra del sistema de almacenamiento de energía del UPS.

De particular importancia es la Sección 690.15(D), que describe los requisitos de los medios de desconexión de equipos para los sistemas fotovoltaicos. Esta sección centra la atención en un requisito más general que se encuentra en la Sección 210.4(B), el cual requiere que los medios de desconexión deben desconectar simultáneamente todos los conductores sin puesta a tierra del circuito al cual están conectados. A diferencia de un sistema con puesta a tierra en el cual no es necesario hacer desconexión del cable neutro simultáneamente con la desconexión de los cables de fase, en un sistema sin puesta a tierra todos los cables deben desconectarse simultáneamente, ya que ninguno tiene puesta a tierra. Esto generalmente no es una preocupación, pero es algo a tener en cuenta al momento de especificar el disyuntor de cc que protege el sistema de almacenamiento de energía del UPS. 

Ben Stevens es un ingeniero eléctrico asociado en Page. Ha trabajado para Page durante 3 años y se especializa en proyectos de ciencia y tecnología.