Calculo y dimensionamiento de conexiones y uniones a tierra

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En este artículo, veremos el dimensionamiento y calculo adecuado de los conductores de conexión a tierra (Grounding) y unión equipotencial a tierra (Bonding).

En el Código Eléctrico Nacional (NEC) o NFPA y NTC2050, hay tres tablas principales que se usan para dimensionar los conductores mínimos de conexión a tierra y unión equipotencial.

Primero, tenemos la Tabla 250.66 (Conductores que van hacia el electrodo de puesta a tierra para sistemas de corriente alterna – GEC).

Luego tenemos la tabla 250.102 (C) (1) (Conductor puesto a tierra intencionalmente (GROUNDED, comúnmente es el neutro, sin embargo no siempre es así, grounded también puede ser la carcaza metálica de un tablero puesto a tierra intencionalmente), puente de conexión a tierra principal (main bonding jumper –MAIN BND JMPR), puente de conexión a tierra del sistema (System bonding jumper – SYSTEM BND JMPR) y puente de conexión a tierra del lado de suministro (Supply-side bonding jumper – SS BND JMPR) para sistemas de corriente alterna).

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Finalmente, tenemos la Tabla 250.122 (Conductores mínimos de conexión a tierra de equipos y canalizaciones, Equipment Grounding Conductors – EQUIP GND COND).

CONDCUTORES DE CONEXION A TIERRA GROUNDEING AND BONDING NEC NFPA 70 NTC2050

Discutiremos todas las anteriores tablas y sistemas de conexión a tierra  con mayor detalle a lo largo del siguiente artículo.

Calculo y dimensionamiento del conductor puesto a tierra (grounded) 

Cuando se habla de la conexión a tierra (Grounding) y unión equipotencial a tierra (Bonding), es fundamental utilizar la terminología adecuada.

Cuando se trata de la conexión a tierra y unión, es imperativo que todos estén en sintonía mediante el uso de términos adecuados y definidos utilizados en el NEC/NFPA70/NTC2050.

Con eso en mente, definamos a qué conductor nos referimos antes de discutir el tamaño de dichos conductores. En el artículo 100, el NEC/NFPA70/NTC2050 se define el conductor puesto a tierra (Grounded) como “Conductor
de un sistema o de un circuito puesto a tierra intencionalmente.”.

Para facilitar la comprensión del dimensionamiento del conductor puesto a tierra (Grounded), en algunos casos asociaremos este al conductor neutro porque comúnmente el neutro es un conductor puesto a tierra, sin embargo grounded también se refiere a la conexión a tierra de los tableros y transformadores, por lo tanto no siempre Grounded, se refiere al neutro (Neutral) como lo explicamos en el articulo :”Diferencia entre conductor puesto a tierra y neutro (Grounded vs Neutral)” y aclaramos en la siguiente imagen:

explicacion grounded

Un conjunto importante de requisitos para conductores puestos a tierra (grounded) se encuentra en 250.24 (C). Esta sección requiere que cuando un sistema de AC que opera a 1000 voltios o menos esté conectado a tierra en cualquier punto, se requiera que el conductor conectado a tierra (generalmente un conductor neutro) esté en cada medio de desconexión del alimentador y conectado al gabinete (generalmente a través de la conexión de un puente principal de conexión a tierra (main bonding jumper) .

Los requisitos básicos para el tamaño del conductor de conexión a tierra grounded varían con la carga calculada de acuerdo con 220.61.

Es de vital importancia entender que las tablas para el dimensionamiento del conductor puesto a tierra grounded  definen el mínimo calibre por seguridad, sin embargo para el calculo del neutro se debe tener en cuenta la carga máxima desequilibrada entre el neutro y cualquier conductor sin conexión a tierra y las cargas no lineales.

¿Como dimensionar y calcular el conductor puesto a tierra (grounded)?

Primero, se debe realizar un cálculo de carga de acuerdo con 220.61 para determinar el tamaño de los conductores de acometida.

En segundo lugar, el tamaño mínimo de un conductor puesto a tierra (grounded, comúnmente utilizado como neutro) debe determinarse…

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Ejemplo de calculo del conductor puesto a tierra (grounded), utilizado como neutro, para carga desequilibrada.

Considere que los conductores de fase que alimentan el tablero principal en nuestro ejemplo son conductores de cobre THWN de 600 kcmil (terminales de 60 grados C / 75 grados C). Puede determinar el tamaño del conductor neutro mediante:

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El art. 220 advierte de este problema. Incluso, es posible que deba duplicar el tamaño neutro o los filtros de armónicos instalados para corregir el problema. El Retie en Colombia informa de un 173% de aumento del neutro sobre las fases para estos casos.

Ejemplos de calculo del mínimo conductor puesto a tierra (grounded)

1. Una acometida que consta de un conductor de cobre de 250 kcmil por fase requeriría un conductor puesto a tierra (grounded) de mínimo…

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Un ejemplo de lo anterior sería un alimentador con seis conductores de cobre 4/0 AWG por fase. ¿Cuántas mils circulares hay en cada conductor de cobre 4/0 AWG? Para obtener esta respuesta, necesitaremos visitar el Capítulo 9, Tabla 8 de NEC . Esta tabla del Capítulo 9 revela que un conductor de cobre 4/0 AWG consta de 211,600 mils circulares. En nuestro ejemplo, tenemos seis de estos conductores por fase.

Tabla 8, NEC/NFPA70/NTC2050
Tabla 8, NEC/NFPA70/NTC2050

Las matemáticas rápidas nos dirían que estos (6) conductores de cobre 4/0 AWG son el equivalente a 1,269,600 mils circulares [6 X 211,600 = 1,269,600 cm].

Este valor circular total en mil excede el valor más grande de 1100 kcmil de cobre referenciado que se encuentra en la parte inferior de la Tabla 250.102 (C) (1).

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Dimensionamiento y calculo de conductores de electrodos de puesta a tierra (Grounding Electrode Conductor)

Para aclarar, el artículo 100 del NEC/NFPA70/NTC2050 define un electrodo de puesta a tierra como “un objeto conductor a través del cual se establece una conexión directa a tierra”. Un conductor de electrodo de puesta a tierra se define como “Conductor utilizado para conectar el conductor puesto a tierra del sistema o el equipo al electrodo de puesta a tierra o a un punto en el sistema del electrodo de puesta a tierra”.

Para dimensionar un conductor de electrodo de puesta a tierra (GEC, por sus siglas en ingles) para un solo alimentador, se requiere que el conductor del electrodo de puesta a tierra tenga el tamaño…

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Ejemplo de calculo de conductor de electrodo de puesta a tierra (GEC)

Ejemplo 1, donde se instalan conductores de alimentación de 3/0 AWG cobre, el conductor del electrodo de puesta a tierra de tamaño mínimo es…

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Ejemplo 2. Si se instalan conductores de alimentación de 750 kcmil aluminio, se necesitará un conductor de electrodo de conexión a tierra de…

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Ejemplo 3. Cuatro conductores de alimentación de aluminio de 250 kcmil por fase instalados en paralelo que se consideran un solo conductor de aluminio de 1000 kcmil. De acuerdo con la Tabla 250.66, estos cuatro conductores de entrada en aluminio de 250 kcmil requerirían un conductor GEC de…

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Calculo y dimensionamiento de los puentes de unión a tierra (Bonding jumper)

Bonding jumpers

La Sección 250.53 (C) requiere que los puentes de unión (Bonding jumper) utilizados para conectar los sistemas de puesta a tierra como se ve en las imágenes, se instalen de acuerdo con los requisitos de 250.64 (A), (B) y (E).

Bonding jumpers 2

El puente de unión a tierra (Bonding jumper) debe tener un tamaño de acuerdo con…

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Calculo y dimensionamiento de los conductores de puesta a tierra de equipos (Equiment Grounding Conductors – EGC)

Una mirada más cercana al Artículo 100 del NEC revela que la definición de un conductor de puesta a tierra de equipos es: “La(s) trayectoria(s) conductora(s) que proveen una trayectoria de corriente de falla a tierra y conecte(n) entre sí piezas de metal de equipos que normalmente no sean portadoras de corriente y al conductor puesto a tierra del sistema o al conductor del electrodo de puesta a tierra o a ambos. “

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Esta tabla clasifica los EGC en función de los amperios del dispositivo de protección contra sobrecorriente delante del conductor, a diferencia de las otras tablas anteriores que usamos [Tabla 250.66 y Tabla 250.102 (C) (1)] que se basan en el tamaño de los conductores de fase sin conexión a tierra para dimensionar conductores de puesta a tierra y de unión.

Ejemplo de calculo y dimensionamiento de conductores de puesta a tierra de equipos

Por ejemplo, utilizando la Tabla 250.122, si la protección contra sobrecorriente delante de un circuito o alimentador es de 225 amperios, el conductor de puesta a tierra del equipo de tamaño mínimo se encuentra de la siguiente manera:

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Ejemplo de calculo y dimensionamiento de aumento por caída de tensión de conductores de puesta a tierra de equipos

Un ejemplo de un aumento en el tamaño de los conductores sin conexión a tierra podría ser compensar los problemas de caída de voltaje en un circuito ramal o alimentador muy largo.

Esto significa que cuando se aumenta el tamaño de un alimentador o conductor de circuito ramal (excepto para la aplicación de factores de corrección o ajuste), se requerirá que el conductor de puesta a tierra del equipo se incremente en no menos de la misma proporción que la se incrementan los conductores del alimentador o del circuito.

Por ejemplo, se instalará un alimentador con protección de 200 amperios en un edificio grande. Se determina que la caída de voltaje sería excesiva para este alimentador, por lo tanto se selecciona un conductor de cobre de…

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Sin embargo para determinar el conductor de puesta a tierra del equipo de tamaño mínimo requerido para este alimentador, necesitaríamos seguir los siguientes cálculos, una vez más, necesitaremos usar la Tabla 8 del Capítulo 9 de NEC:

Ajuste de conductor de puesta tierra de equipos proporcionalmente a los conductores de fase.

– El alimentador de 200 amperios normalmente requiere un conductor de cobre 3/0 AWG (según la Tabla 310.15(B)(16))

– Normalmente se instalaría un conductor de puesta a tierra de equipo…

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Calculo y dimensionamiento de conductores de puesta a tierra de equipos para circuitos múltiples. 

La Sección 250.102 (C) permite que un solo conductor de puesta a tierra de equipo sirva a múltiples circuitos que están instalados en la misma canalización, cable o bandeja portacables.

Para utilizar este concepto de circuitos múltiples, se requeriría…

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Ejemplo de calculo de conductor de puesta a tierra de equipos para circuitos multiples

Por ejemplo, en un ducto que contiene cuatro circuitos ramales que tienen protección contra sobrecorriente nominal de 20 amperios, 30 amperios, 50 amperios y 60 amperios. Se permite un solo conductor de conexión a tierra de equipo de…

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Calculo y dimensionamiento de los puentes de unión principales (Main bonding jumper)

El artículo 100 del NEC define un puente de conexión principal como: “Conexión en la acometida, entre el conductor del circuito puesto a tierra y el conductor de puesta a tierra de equipos.”.

Calculo del system bonding jumper

Donde se instale equipo de alimentación certificado (como tableros de distribución, tableros de control o centros de control de motores), el puente de conexión principal (Main bonding jumper) que se proporciona con el equipo está certificado para el tamaño de los conductores que se instalarían en la entrada de alimentación según el amperaje de dicho equipo.

El método para dimensionar el puente de unión principal (Main bonding jumper) en el equipo de acometida certificado se encuentra en el estándar de seguridad del producto para el equipo en consideración y es verificado por la organización de certificados (como UL, ETL, etc.) . Por lo tanto, el puente de conexión principal que es una barra colectora, una correa, un conductor o un tornillo proporcionado por el fabricante como parte del equipo certificado se puede utilizar sin calcular su idoneidad.

Si fuera necesario instalar un puente de conexión principal en el campo (como en una canaleta de cables que soporta desconexiones de acometidas), este puente de conexión principal debería tener un tamaño como lo informa el articulo 250.28 (D), que se refiere a…

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Calculo y dimensionamiento de los puentes de conexión del sistema (System bonding jumper)

El puente de conexión del sistema es el primer componente para la conexión a tierra y la conexión de sistemas derivados por separado y se trata en 250.30 (A) (1).

Un puente de conexión a tierra del sistema se define como “Conexión entre el conductor del circuito puesto a tierra y el puente de conexión equipotencial del lado de la alimentación, o el conductor de puesta a tierra de equipos, o ambos, en un sistema derivado independiente.” (consulte el artículo 100 de NEC) .

La diferencia entre un puente de conexión del sistema y un puente de conexión principal es…

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Calculo y dimensionamiento de los puentes de conexión en el lado de la alimentación o suministro (Supply-side bonding jumpers)

El conductor de alimentación con conexión a tierra (neutro) generalmente proporciona la continuidad eléctrica entre la fuente de suministro (como el gabinete de un transformador de servicio público) y los diversos gabinetes o tableros de distribución (Ver imagen principal).

El puente de conexión del lado de la fuente funciona para transportar la corriente de falla a tierra de las fallas a tierra que ocurren en el lado de la fuente de la protección principal contra sobrecorriente y proporciona una ruta de baja impedancia para que la corriente de falla a tierra regrese a la fuente.

El puente de unión del lado de suministro o alimentación puede ser un conducto metálico no flexible o un conductor.

Un puente de unión del lado de suministro se define como “Un conductor instalado en el lado de alimentación de una acometida o dentro del(los) encerramientos(s) de equipo de acometida, o para un sistema derivado separado, que asegura la conductividad eléctrica entre las partes metálicas que se requiere estén eléctricamente conectadas. ” (véase el artículo 100 de la NEC) .

Los puentes de conexión del lado de suministro o alimentación deben tener un tamaño de acuerdo con…

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Ejemplo de calculo y dimensionamiento de puentes de conexión en el lado de la alimentación o suministro (Supply-side bonding jumpers)

Por ejemplo, cuando se instalan conductores de cobre de 250 kcmil como conductores de entrada de alimentación, la Tabla 250.102 (C ) (1) requiere un conductor de cobre…

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