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SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y UNIN EQUIPOTENCIAL DENTRO DE LA EDIFICACIN

Elaborado por: Ing. Frank Amores Snchez, Especialista PCI, APCI.

INTRODUCCIN Aunque la evolucin tecnolgica ponga en el mercado dispositivos cada vez ms elaborados con el objetivo de asegurar tanto la seguridad personal como la correcta operacin de los sistemas e instalaciones elctricas, el sistema de puesta a tierra hecho de manera eficiente sigue constituyendo uno de sus elementos claves. Por ello, las regulaciones y normas prcticas continan haciendo nfasis en la importancia de este. Se aprecia en algunas edificaciones industriales, muchas comerciales y en la gran mayora de las residenciales, que los diseadores, constructores y usuarios an no estn sensibilizados con los problemas relativos a la funcionalidad y la seguridad elctricas. Ante tal situacin, solo queda insistir en el precepto de que no puede existir ninguna instalacin elctrica, ni siquiera la ms sencilla, que no posea un adecuado sistema de puesta a tierra de sus receptores. La mayora de los especialistas elctricos, electrnicos, de telecomunicaciones y automatizacin necesitan para su labor profesional tener un buen dominio de este tema porque con cierta frecuencia pueden estar involucrados en tareas que tienen una relacin directa con esta, como son: determinar la causa de fallo de un equipo, mejorar la calidad de energa o controlar las interferencias. A pesar de la obvia necesidad del conocimiento sobre los sistemas de puesta a tierra, sucede que a penas son tocados durante los cursos de ingeniera y es difcil obtener informacin actualizada y confiable sobre el tema. Por otro lado, sucede que aparentemente encierra conceptos muy sencillos, por lo que muchas personas ajenas a esta ciencia, se atreven a recomendar e imponer criterios que muchas veces resultan contraproducentes. A partir de la definicin de tensin como una diferencia de potencial elctrico, es evidente que se requiere de al menos dos terminales para que haya una tensin. Puede haber ms de dos terminales, y comnmente los hay, pero es necesario que en cada circuito exista uno comn o de referencia (si se designa o no como a tal). Muchos circuitos electrnicos usan la carcasa donde estn montados como su referencia. Un sistema de distribucin estrella de 4 hilos usa el punto central de la estrella como referencia. En un automvil, el terminal negativo de la bacteria de 12 V (que est conectado a la carrocera) se usa como referencia. La referencia no tiene que estar conectada a tierra para que los equipos operen. La conexin a tierra de la referencia se convierte en un problema para hacerla ms segura.

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Esto se debe a que la tierra ya ofrece uno de los dos terminales requeridos para que exista una tensin, y la gente insiste en eso. Por lo tanto, cualquiera de estos que sea tocado con su mano no conectada a tierra tendra una tensin y hay un peligro de choque. Todo el tema de conexin a tierra se vuelve muy simple si se tienen en cuenta las dos funciones anteriores y se hace un pregunta: Es la tierra parte del circuito? Desde el punto de vista de la seguridad la respuesta casi siempre es s. Para la proteccin contra rayo, la respuesta es un s muy enftico. Pero para muchos aspectos de la operacin de equipos la respuesta es no. Por tanto, disponer o no de una baja impedancia a tierra afecta la operacin del sistema slo cuando la tierra es parte del circuito. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Funciones El sistema de puesta a tierra de las instalaciones elctricas puede tener las siguientes finalidades: Tierra de proteccin: Tiene el objetivo de drenar a tierra las corrientes de falla

peligrosas para garantizar la integridad fsica de las personas. Tierra de funcionamiento: Se refiere a la accin de llevar una parte de un circuito

elctrico al potencial de tierra para su correcto funcionamiento. Caen dentro de esta clasificacin la conexin a tierra de alguno de los conductores activos de la red de distribucin elctrica, generalmente el neutro de los generadores y de los transformadores.

Composicin Para facilitar su comprensin, los Sistemas de Puesta a Tierra de una instalacin pueden verse como compuestos por cuatro subsistemas funcionales distintos y elctricamente interconectados. Estos son:

1. Subsistema de electrodos de tierra 2. Subsistema de seguridad personal y proteccin contra falla 3. Subsistema de proteccin contra rayo 4. Subsistema de referencia de seal

Fig. 1 Composicin del sistema de puesta a tierra

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1. Subsistema de electrodos de tierra. Es el conjunto de electrodos de tierra verticales, horizontales, tuberas u otros objetos metlicos interconectados y enterrados que establecen la conexin elctrica entre los elementos de la edificacin que deben protegerse y el terreno. Su propsito es brindar una trayectoria al terreno para la disipacin de la corriente del rayo, evitar el peligro de choque a las personas y ayudar al control del ruido. Este puede presentar gran variacin de su resistencia (e impedancia) a tierra. Las condiciones del terreno, especialmente la humedad, pueden provocar variaciones significativas de la resistencia a lo largo del tiempo. En algunos casos, el terreno mismo es un conductor tan pobre que pueden ser necesarios mtodos especiales de instalacin tales como los pozos qumicos para brindar una adecuada conexin. En algunas partes del mundo, sucede que existen suelos arenosos que son muy secos la mayora del ao y donde la actividad de rayos es significativa. La resistencia y la impedancia a tierra de este subsistema es un asunto importante en la disipacin de la energa del rayo y en la disminucin de los gradientes de potencial. Se han realizado ensayos de varios tipos de electrodos de tierra para determinar que tipo se comporta mejor. El electrodo embebido en hormign ha sido uno de los mejores en la conservacin del valor de resistencia a tierra. El hormign es poroso, retiene la humedad y, por tanto, nunca queda totalmente seco. De lo anterior puede verse que es una buena prctica embeber conductores desnudos en el hormign cuando se tiene la oportunidad, tal como es en las nuevas construcciones. Los procesos de transporte de seal y de los de seales internas entre equipos no se benefician con este subsistema ni con las conexiones a este, excepto desde el punto de vista de seguridad. Sin embargo, la conexin inadecuada de las partes de un sistema electrnico al subsistema de electrodos de tierra es sabido que produce problemas de comportamiento, de seguridad y de daos a los equipos bajo condiciones conmutaciones del sistema elctrico y de falla a tierra, o rayos. La impedancia de conexin a tierra generalmente aumenta con la frecuencia. Esto efecto limita la efectividad de los electrodos de tierra en relacin con los esfuerzos por el control del ruido de alta frecuencia. Esto significa el sistema de electrodos de tierra solo no es un medio efectivo de control de los efectos indeseables asociados con las componentes de ms alta frecuencia de un evento de rayo. Desde el punto de vista de la teora de ondas, la tierra y la conexin a esta representa una seria discontinuidad de impedancia para casi todas las corrientes de impulso de corta duracin y tiempo de transicin rpido. Debido a esto, la conexin genera grandes reflexiones tanto de corriente como de tensin cuando dichas formas de onda son inyectadas en los electrodos de tierra desde la direccin de tierra o del conductor de electrodos de tierra actuando como una lnea de transmisin desbalanceada. Dichas reflexiones se propagan regresando al conductor de electrodos de tierra donde

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se dispersan a todas las partes de los equipos conectados a este mediante el sistema elctrico y cualquier red de conductores de tierra de equipos relacionada. El subsistema de electrodos de tierra solo no es capaz de controlar los peligros asociados con los fallas a tierra del sistema elctrico. Esto se indica en los requerimientos de los reglamentos elctricos que establecen claramente que la tierra nunca ser usada como la trayectoria nica para una circulacin de corriente. En su lugar se requiere de buenas tcnicas de conexin a tierra y unin equipotencial. Como ejemplo de lo anteriormente mencionado, una conexin a tierra de 1 asociada con una falla a tierra de 120 V AC limita la circulacin de corriente a no ms de 120 A. Esta es suficiente para operar cualquier dispositivo de proteccin contra sobrecorriente donde 10 veces el valor de disparo produce la operacin de la parte instantnea de la curva de disparo I2t. Por lo tanto, los circuitos provistos con dispositivos de proteccin contra sobrecorrientes en el intervalo de 10 15 A podrn ser considerados como protegidos, pero slo siempre que la impedancia de los electrodos de tierra no se incremente con el tiempo (lo cual es muy improbable). Adems y ms seriamente, an con el valor de 1 , los dispositivos de proteccin contra sobrecorriente mayores que comnmente se usan pueden retardarse en operar o fracasar totalmente su operacin ante una falla a tierra. Esta es la razn por la cual los reglamentos elctricos exigen la unin de las carcasas de los equipos elctricos y especifica las dimensiones de los conductores de tierra de los equipos basadas en la capacidad del la proteccin contra sobrecorriente. Para ilustrar adicionalmente el importante concepto anterior, asuma que la impedancia de los electrodos de tierra instalados es de 1 y que se mantiene en este valor bajo las condiciones dadas. Luego, asuma que hay conectado un conductor de electrodos de tierra y que a la frecuencia ms alta (de un rayo o una sobretensin) la impedancia de este es de 1000 . La impedancia toral del arreglo, vista desde cualquiera de los extremos que acta como un puerto, es de 1001 . Debido a esto, hay una relacin de impedancias de 1000:1 entre el extreme lejano del conductor de electrodos de tierra y la conexin a tierra, como si fuera vista en el extremo superior de los electrodos de tierra. Esto significa que si solo circula una corriente de 1 A en el trayecto (a la frecuencia ms alta), existir aproximadamente 1 KV entre tierra y los equipos conectados al extremo lejano del conductor de electrodos de tierra. Con esto en mente, cul es el beneficio de una conexin a tierra de 1 desde el punto de vista de una tensin de modo comn y el control del EMI? De acuerdo a lo anterior, la situacin de la tensin de modo comn es realmente muy seria. Tmese el ejemplo de un terminal de tierra aislado y separado ubicado dentro de un equipo que tiene una carcasa metlica y est adecuadamente conectado al conductor de tierra de los equipos del sistema elctrico de AC. Si el terminal de tierra de seal aislado y separado est conectado a un electrodo de tierra aislado (prctica no recomendada en ningn caso), entonces alguna circulacin de corriente en la impedancia entre el electrodo de tierra del sistema elctrico y el electrodo de tierra

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aislado de seal producir una tensin de modo comn entre el terminal y la carcasa del equipo donde est montado. Debido a que el cableado de nivel de seal y los componentes no estn provistos de medios de aislamiento ms que los de baja tensin y se respeta el espacio de aire mnimo desde los terminales expuestos a la carcasa, existe la posibilidad real de que sobrepase la tensin de ruptura entre los dos (por ejemplo: kVG1G2 = kAG1G2 G1G2 en el caso de dos sistemas de tierra separados). As, los circuitos de nivel de seal y la lgica asociada y los semiconductores de nivel de seal se exponen a un gran riesgo por esta aproximacin, y de cualquier manera no son beneficiados.

Interconexin entre subsistemas de electrodos de tierra Cuando se trata de varios edificios donde se emplean equipos electrnicos para la comunicacin entre estos, no ser adecuado el concepto electrodos de tierra independientes y dedicados conectados a las respectivas redes equipotenciales, por las siguientes razones: existe acoplamiento entre los electrodos que conduce a un incremento incontrolado de la tensin en los equipos. los equipos interconectados pueden tener diferentes referencias de tierra. existe riesgo de choque elctrico, especialmente en el caso de sobretensiones originadas por rayo. Por lo tanto, todos los conductores de tierra de proteccin y funcionamiento tienen que conectarse a un nico terminal de tierra principal. Adems, todos los electrodos de tierra asociados con un edificio (o sea, de proteccin, funcionamiento y de proteccin contra rayo) estarn interconectados. Ver Figura 3. En caso de que la interconexin de los electrodos de tierra de los edificios no sea posible o prctica, se recomienda que se aplique la separacin galvnica de las redes de comunicaciones (por ejemplo, usando enlaces de fibra ptica).

Fig. 2 Electrodos de tierra interconectados

Los conductores de unin de proteccin y de funcionamiento se conectarn individualmente a la barra de tierra principal de modo tal que si uno de estos se desconecta permanezcan seguras las conexiones de los restantes.

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Conceptos bsicos de conexin a tierra y unin equipotencial Realmente hay dos secciones en un adecuado sistema de puesta a tierra: la conexin al suelo mediante electrodos (grounding) y la unin equipotencial (bonding).

Conexin a tierra es una conexin conductor intencional o accidental, entre un circuito o un equipo elctrico con el suelo o con algn cuerpo conductor que sirva en lugar del suelo. Note tambin que se dice o a otro cuerpo conductor. En el caso de un avin, este sera el fuselaje. En el caso de un barco, este sera el casco.

Unin equipotencial es la unin permanente de las partes metlicas para formar una trayectoria elctricamente conductora que asegure la continuidad elctrica y la capacidad de conducir de manera segura cualquier corriente que pueda ser impuesta.

La unin equipotencial es esencial para asegurar la operacin del dispositivo de proteccin contra sobrecorriente y evitar peligro de choque cuando ocurre una falla de un equipo elctrico. Mediante la unin equipotencial de las partes metlicas exteriores (al sistema de conexin a tierra) con un conductor de suficiente baja impedancia y dimensiones para llevar la corriente de falla y permita la

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operacin de la proteccin contra sobrecorriente, una persona en contacto con el equipo que falla no est expuesta a tensiones peligrosas.

Muchos de los problemas de conexin a tierra de los equipos electrnicos que impiden su operacin adecuada son problemas de unin equipotencial. Una vez ms la pregunta clave es: Es el suelo parte del circuito? Disminuyendo la resistencia a tierra del sistema solo impacta en los problemas en los cuales el suelo es parte del circuito.

Para propsitos de conexin a tierra, la unin efectiva consiste de un conjunto de interconexiones y terminaciones de conductor de tierra que, juntos, formen una trayectoria de baja impedancia a todas las frecuencias de inters, para la circulacin de la corriente a travs de estos. Si se hace adecuadamente, este arreglo puede usarse para limitar exitosamente el desarrollo de potenciales indeseados entre los extremos de la conexin de unin. El objetivo es que cada terminacin (unin) sea tal que las propiedades elctricas de la trayectoria total sean una funcin de todos los elementos conectados y no nicamente de las interconexiones. Recprocamente, una unin pobre es frecuentemente la causa principal de muchas situaciones peligrosas y de produccin de ruido, por ejemplo: de cadas de tensin inaceptables, de la generacin de calor, de la operacin intermitente, del ruido elctrico y de altos valores de resistencia. Un conductor con un rea de seccin transversal grande es de poca utilidad si este termina en una conexin de unin pobre. Debe destacarse que los comportamientos de la mayora de las tcnicas de conexin a tierra y de unin a baja y alta frecuencias de son muy diferentes. Su comportamiento a alta frecuencia es de gran importancia para la mayora de las aplicaciones que involucran equipos electrnicos, donde las corrientes tpicas que se propagan a travs del conductor de unin son los impulsos de rpida transicin y corta duracin de niveles bajo y alto. Cabe sealar que la instalacin de electrodos de tierra es la que sirve de interfaz a los dems subsistemas de tierra para proporcionarles la conexin principal con el suelo y, de este modo, asegurar que cumplan las funciones para las cuales fueron diseados. Las extensiones desde este hacia el interior del edificio constituyen las conexiones con los dems subsistemas. Sus objetivos son los siguientes:

Limitar las tensiones de paso y de contacto en las areas accesibles por los seres vivos a un valor por debajo de los niveles peligrosos tanto en situaciones de descargas de rayo como de falla elctrica.

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Brindar una tierra para el drenaje de la corriente del rayo de manera que proteja a la estructura y los seres vivos en su interior.

Ayudar a la reduccin de las interferencias electromagnticas (EMI) debidas al campo electromagntico, la impedancia de tierra comn u otras formas de acoplamiento en los circuitos de seal y control.

2. Subsistema proteccin contra falla. Consiste en la conexin slida a tierra y la

unin entre s de todas las partes metlicas que componen las carcasas de equipos, canalizaciones metlicas de todo tipo, armaduras y blindajes metlicos de los cables, los conductores de tierra de equipos que corren junto a los conductores de su circuito asociado y los puentes cortos de conexin a tierra o unin usados externamente. Su propsito es asegurar que las personas sean protegidas del peligro de choque elctrico y los equipos contra el dao o destruccin, por las fallas que pueden producirse en los sistemas elctricos. De acuerdo con esta funcin, el subsistema puede dividirse en:

Tierra de seguridad personal: Consiste en la conexin de los elementos conductores especficos del sistema elctrico (de generacin, transmisin o distribucin) o de equipo de utilizacin con la tierra, para derivar las corrientes de falla y de este modo brindar proteccin a las personas contra el choque elctrico. Esto asegura que la persona no sea expuesta a una diferencia de potencial considerable si hace contacto simultneo con dos partes metlicas expuestas que normalmente no se estn bajo tensin pero pudieran estarlo si se produce una falla elctrica de aislamiento entre un conductor energizado y dichas partes conectadas a tierra. La tierra (o una estructura sobre esta) siempre es parte del circuito de seguridad, ya que las personas de pie sobre esta y la conexin de una parte especfica a tierra es necesaria para minimizar el peligro de choque. Deber tener una resistencia lo suficientemente baja que garantice la proteccin personal contra los peligrosos gradientes de potencial, que se desarrollan en el suelo durante las fallas. Para lograrla generalmente se requiere del uso de mallas de tierra diseadas con el fin de distribuir la corriente sobre un rea suficientemente grande de modo que se reduzcan los gradientes de potencial a niveles seguros. Este principio es vlido para todo tipo de instalaciones elctricas, desde grandes subestaciones, industrias hasta viviendas. Una red de unin equipotencial densamente interconectada, junto con su conexin a tierra, reduce fundamentalmente la posibilidad de que aparezcan tensiones importantes entre elementos metlicos adyacentes. No obstante, es necesario tomar medidas suplementarias, sobre todo con respecto a la distribucin de energa elctrica en corriente alterna.

Tierra de proteccin de equipos: Tiene la funcin de mantener a alguna parte de los circuitos elctricos (como son los centros de estrella de generadores y transformadores de distribucin) al potencial de tierra para asegurar que, en el caso de una falla a tierra, la corriente resultante pueda regresar a la

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fuente a travs de una va de retorno predeterminada sin que ocurran daos a los equipos. Esta incluye tanto los conductores de tierra que discurren a lo largo del sistema de distribucin elctrica como todas las partes metlicas expuestas de los equipos fijos que normalmente no transportan corriente pero que pueden energizarse bajo condiciones de falla elctrica. Estos conductores debern tener las suficientes capacidad de transporte de corriente y baja impedancia en todos los puntos de modo que lleven de manera efectiva la corriente de falla a tierra a la frecuencia del sistema elctrico con la intensidad capaz que hacer actuar rpidamente a los dispositivos de proteccin contra sobrecorrientes (interruptores automticos o fusibles instalados en las fases) o los sistemas de interrupcin de falla a tierra y se interrumpa la circulacin de dicha corriente.

Generalmente se desconocen las caractersticas de impedancia (vs. frecuencia) este subsistema. En general, tiene un ancho de banda desconocido pero muy limitado. Adems, se conoce que el cableado de tierra tpico usado para este sistema tiene grandes prdidas a alta frecuencia por lo que no es capaz de transportar a distancia corrientes de alta frecuencia sin una atenuacin considerable. La configuracin general del subsistema bsico de proteccin contra falla y seguridad personal no es un sistema de tierra de punto nico, sino un sistema de tierra radial para los circuitos elctricos ramales de AC y el sistema de AC que suministra la de energa a los equipos mostrados. 3. Tierra de proteccin contra rayo. Su propsito es la de confinar y disipar de

manera segura en el terreno la energa del rayo a travs de la instalacin de electrodos de tierra. En muchos cdigos y normas no aparece requerimiento sobre el valor o intervalo de impedancia que debe presentar este subsistema ante la corriente del rayo que pueda ser circular por este. Por ejemplo, el NEC, la NFPA 75 y la NFPA 780 no establecen lmites de impedancia del subsistema de electrodos de tierra como parte del LPS. En lugar de muy bajas resistencias de conexin a tierra, estos abogan por las mltiples uniones del LPS a otros conductores de tierra dentro del edificio. Este enfoque conduce a la reduccin de las peligrosas descargas laterales y al uso de ms trayectorias de bajadas (en paralelo) terminadas en electrodo enterrado en forma de anillo alrededor del edificio.

4. Tierra de referencia de seal. En ocasiones se le llama tierra de computacin,

electrnica o de cero volt, pero estos no son trminos muy precisos. Su propsito es la reduccin de las interferencias debidas al campo electromagntico, impedancia comn de tierra u otras formas de acoplamiento mediante el establecimiento de un potencial de referencia comn para garantizar la operacin eficiente y confiable de los equipos que integran un mismo sistema de telecomunicaciones, si estos estn conectados entre s a tierra

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simultneamente. Con ello, se minimiza las diferencias de potencial entre equipos, se reduce la circulacin de corriente entre los mismos y disminuye las tensiones de ruido en los circuitos de seal. Dentro de un mismo equipo, este subsistema puede ser una barra o conductor que sirve como referencia para algunos o todos los circuitos de seal. Entre diferentes equipos, este subsistema deber ser una red formada por mltiples conductores interconectados. Dependiendo del diseo de los equipos, la edificacin y las frecuencias involucradas, este subsistema podr ser: en algunos casos, un punto nico y en la gran mayora de los situaciones, un plano equipotencial que brindar varias trayectorias de baja impedancia a las frecuencias de trabajo de los equipos para la conexin entre dos puntos cualquiera dentro del edificio y entre un punto cualquiera de este y la instalacin de puesta a tierra.

RED DE UNIN EQUIPOTENCIAL Esta unin es el proceso mediante el cual se establece una trayectoria de baja impedancia para la circulacin de la corriente elctrica entre dos objetos metlicos. Por tanto, la red es el conjunto de estructuras conductoras interconectadas que ofrece un apantallamiento electromagntico a los sistemas electrnicos y al personal en frecuencias que van desde corriente continua hasta la parte inferior de la gama de radiofrecuencias. Funcin En cualquier sistema electrnico, es necesaria una red de unin equipotencial y puesta a tierra mediante mltiples interconexiones entre las partes metlicas, coordinada con las caractersticas de los equipos y con los dispositivos de proteccin elctrica, para satisfacer las siguientes funciones:

Aumenta la seguridad a las personas y la proteccin de los equipos contra los peligros de los rayos.

Establecer trayectorias de retorno para la corriente de falla del sistema elctrico.

Establecer trayectorias homogneas y estables de retorno por tierra las corrientes de seal.

Minimizar los niveles de las emisiones electromagnticas radiadas y conducidas por los equipos as como sus susceptibilidades ante las mismas.

Aumenta la tolerancia de los sistemas a las descargas electrostticas y a las interferencias causadas por el rayo.

Proteger a las personas de peligro de choque provenientes de la tierra elctrica.

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Las fuentes ms usuales de esta energa electromagntica son: los rayos y las fallas de las lneas de alimentacin elctrica de corrientes alterna y continua, los armnicos de la red de energa de corriente en alterna y las seales de reloj de los equipos digitales. Todas estas fuentes se denominan, en forma genrica, emisores, mientras que las personas y los equipos que sufren sus efectos se denominan receptores. El acoplamiento entre determinados emisor y receptor se caracteriza por una funcin de transferencia. La finalidad de una red de unin equipotencial es reducir la magnitud de la funcin de transferencia a un nivel aceptable. Esto puede conseguirse por medio de un diseo adecuado de las redes de unin equipotencial comn y mallada y la unin de las redes aisladas a la comn. Configuraciones Al pasar de los sistemas de telecomunicacin analgicos a los complejos sistemas digitales se ha constado que las tcnicas de puesta a tierra utilizadas anteriormente resultan inadecuadas en diversos aspectos, lo que ha reavivado el inters por las tcnicas de unin equipotencial y de puesta a tierra as como por sus repercusiones en la compatibilidad electromagntica (EMC, electromagnetic compatibility). Esto hace necesario establecer las configuraciones dentro de los edificios de telecomunicaciones. Para lograr la compatibilidad electromagntica se puede recurrir a la construccin de una red conductora de apantallamiento conectada a tierra, de carcter comn (red de continuidad elctrica comn, o CBN). La CBN es la red de unin y puesta a tierra de un edificio, pero se puede ampliar por medio de estructuras de apantallamiento jerarquizadas, dotadas de conexiones especficas con la CBN. Las estructuras con un nico punto de conexin se denominan, redes de unin aisladas (IBN). En un edificio de telecomunicaciones, la red de unin y puesta a tierra adopta la forma de una CBN, a la que se conectan los equipos mediante mltiples conexiones (red de unin en malla, o IBN en malla) o mediante una conexin monopunto (IBN). La eleccin de la configuracin de unin elctrica tiene una gran influencia en el logro de la EMC. Una configuracin de unin bien definida permite una puesta a tierra clara y estructurada de los cables y facilita la inmunidad y el control de las radiaciones electromagnticas, lo que resulta especialmente importante en los edificios que contienen equipos nuevos y otros ms antiguos. En su funcin de blindaje, la red unin y puesta a tierra garantiza la seguridad del personal y la proteccin contra el rayo, y ayuda a controlar las descargas electrostticas. Las partes conductoras expuestas (gabinetes, carcasas, bastidores) de los equipos electrnicos y de tecnologa de la informacin dentro de un edificio y el conductor

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de tierra de proteccin (PE) de los sistemas internos se conectan a la red de unin de acuerdo a diferentes arreglos. Para las viviendas, donde normalmente la cantidad de equipos electrnicos es pequea, se acepta el uso de una configuracin de conductores de proteccin en estrella. Para edificios comerciales, industriales y similares, que contienen mltiples aplicaciones electrnicas, es til una red de unin equipotencial ms compleja que cumpla con los requerimientos de compatibilidad electromagntica de los diferentes tipos de equipos. La red de unin comn (CBN, common bonding network) es el medio principal para conseguir la unin y la puesta a tierra de un edificio de telecomunicacin. Est compuesta por el conjunto de componentes metlicos de un edificio que se interconectan deliberada u ocasionalmente. Estos componentes son las varillas de acero del hormign armado del edificio, las tuberas metlicas, los conductos de cables de energa elctrica de corriente alterna, los conductores de proteccin, los bastidores de cables y los conductores de unin. Tiene siempre una topologa de malla y est conectada a la red de puesta a tierra.

Principios de ejecucin Los siguientes principios de ejecucin de la CBN contribuyen tanto a mitigar los choques elctricos como a reducir el funcionamiento incorrecto del equipo. Es muy conveniente que existan interconexiones mltiples entre todos los

elementos, en forma de malla tridimensional. Aumentando el nmero de conductores y sus interconexiones, aumenta su capacidad de apantallamiento as como el lmite superior de frecuencia de dicha capacidad.

Es conveniente que estn prximos entre s los puntos de entrada de energa en alterna, de cables de telecomunicacin y del conductor de puesta a tierra y los puntos de salida de todos los conductores que abandonan el edificio (incluido el conductor de puesta a tierra).

Debe disponerse de un terminal principal de puesta a tierra, situado lo ms cerca posible de las entradas de alimentacin en alterna y de los cables de telecomunicacin. El terminal principal de puesta a tierra estar conectado a: la red de puesta a tierra mediante un conductor lo ms corto posible. el conductor neutro del sistema de alimentacin en alterna (en los sistemas

TN). las pantallas de los cables (en el punto de entrada de los mismos), ya sea

directamente o a travs de descargadores. Deber estar conectada al terminal principal de puesta a tierra mediante

mltiples conductores.

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Es importante su interconexin con los siguientes elementos, dado que contribuye a la capacidad de apantallamiento: las partes metlicas de la estructura del edificio, incluidas las vigas en doble

I y el armado del hormign, cuando se tenga acceso a ellas. los soportes y bandejas de cables, bastidores, canalizaciones de conductores

y conductos de las lneas de alimentacin en alterna. En general, el acoplamiento de descargas al cableado de interior (de

alimentacin o de telecomunicaciones) se reduce tendiendo los cables prximos a los elementos de la esta. Ahora bien, si existen fuentes externas de descargas, las corrientes de esta tendern a ser mayores en sus conductores perifricos. Esto ocurre, sobre todo, en los conductores de bajada del LPSEXT. Por esta razn conviene evitar el tendido de cables por la periferia del edificio. Cuando ello resulte inevitable, puede ser necesario instalar canalizaciones metlicas que encierren completamente los cables. Por lo general, el efecto de apantallamiento de las bandejas de cables resulta til, y las canalizaciones o conductos metlicos que encierran completamente los cables ofrecen un apantallamiento casi perfecto.

En los edificios altos con armazn de acero, puede aprovecharse la ventaja del apantallamiento que ofrece este armazn contra los impactos directos de rayos. Los cables que corren entre las plantas del edificio tendrn un mximo apantallamiento si se los sita cerca del centro de ste, si bien, como se deduce de lo anterior, los cables encerrados en conductos metlicos pueden estar situados en cualquier parte.

Cuando existe una proteccin primaria contra sobretensiones en los hilos de telecomunicacin, la misma debe tener una conexin de baja impedancia con la pantalla de los cables, si existe, y tambin con la CBN circundante.

Conviene instalar dispositivos de proteccin contra sobretensiones en la entrada de la alimentacin en alterna si el edificio de telecomunicacin est situado en una regin en la que las lneas de energa elctrica estn expuestas a descargas de rayos. Dichos dispositivos deben conectarse a esta con una baja impedancia.

Cuando en un trayecto de proteccin de la CBN haya uniones mecnicas cuya continuidad elctrica sea dudosa, se las deber puentear mediante hilos volantes de baja impedancia, de acuerdo con las normas de seguridad de la compatibilidad electromagntica (ECM), y que puedan ser verificados por los inspectores.

Facilita la continuidad elctrica de las pantallas de cables o de los conductores exteriores de los coaxiales en ambos extremos, al proporcionar un trayecto de baja impedancia en paralelo y en las proximidades de las pantallas de cables y

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de los conductores exteriores. As, la mayor parte de la corriente producida por diferencias de potencial pasa por sus elementos altamente conductores. La desconexin de la pantalla de un cable con fines de inspeccin debe tener un efecto lo ms pequeo posible en la distribucin de corrientes de esta.

Existen tres configuraciones bsicas del subsistema de referencia de seal usadas con los equipos electrnicos para mejorar la operacin del sistema. Es importante comprender el propsito as como las ventajas y desventajas de cada de estas configuracin para seleccionar la ms adecuada para la importancia y vulnerabilidad de los equipos de la aplicacin especfica de que se trate. En ocasiones puede usarse una combinacin de estas configuraciones en diferentes partes de una instalacin. 1. BN en malla (MBN, mesh-BN): Red de unin en la que todos los armazones,

bastidores y armarios de equipo as como, por lo general, el conductor de retorno de energa elctrica de corriente continua, estn unidos elctricamente entre s y, en mltiples puntos, con la CBN. En consecuencia, una BN en malla ampla la CBN.

Principios de ejecucin Una red unin equipotencial en malla se caracteriza por la interconexin en numerosos puntos de los armarios y bastidores de los equipos de telecomunicacin y otros equipos elctricos as como por las mltiples interconexiones con la CBN. Si el conductor exterior de una interconexin de cable coaxial entre equipos de la BN en malla tiene varias conexiones con la CBN, puede necesitar un apantallamiento suplementario. Si el apantallamiento que ofrece una bandeja de cables es insuficiente, se puede conseguir un apantallamiento adicional utilizando un cable coaxial apantallado de tipo triaxial, canalizaciones o conductos cerrados. Los mtodos de continuidad elctrica, por orden creciente de calidad en materia de EMC, son la fijacin atornillada, la soldadura por puntos y la costura soldada. El mayor nivel de apantallamiento para la EMC, lo ofrecen los armarios de equipo y los recintos de hoja metlica instalados dentro de estos armarios. Una medida de eficacia comprobada para contrarrestar la emisin o recepcin indeseables de energa electromagntica, sobre todo en alta frecuencia, es una pantalla que rodee totalmente el circuito electrnico afectado. La eficacia del apantallamiento de los cables, en particular cuando el mismo constituye una prolongacin de los armarios, depende de su material, de su disposicin geomtrica y, en especial, de su conexin a los paneles del armario en que termina el apantallamiento.

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Resulta fcil aadir apantallamiento a una BN de malla. Puede ser necesario un apantallamiento suplementario si, por ejemplo, se instala en las cercanas un emisor de radiodifusin. En algunas situaciones quizs resulte til aumentar la BN en malla conectando todos los armazones del equipo de un bloque de sistema a una rejilla conductora situada por encima o por debajo de un grupo de armarios de equipos. 2. BN aislada (IBN, isolated bonding network): Una red de unin tiene un solo punto

de conexin (SPC) ya sea con la red de unin comn o con otra red de unin aislada. Todas las IBN tienen una conexin a tierra a travs de la SPC.

Principios de ejecucin La principal caracterstica de una IBN es que, exceptuada su conexin monopunto, est aislada de la CBN que la circunda, cuando los conductores que penetran en el bloque de sistema lo hacen a travs de la regin de transicin situada entre la IBN y la CBN (vase la definicin de SPCW). Dentro de los lmites de una IBN, la importancia de las interconexiones mltiples entre los armarios y bastidores, etc. depende de la interconexin de los circuitos de distribucin de energa elctrica en continua y de seales. Por ejemplo, si el conductor de retorno del sistema de energa en continua tiene mltiples conexiones con los armazones de los armarios, es deseable una interconexin mltiple de estos armazones y armarios, pues ello tender a reducir el acoplamiento de descargas en caso de fallo de la alimentacin en continua en el equipo que est dentro de la IBN. En lo que respecta a la pantalla de los cables de pares trenzados, si una pantalla queda en circuito abierto en el extremo que termina en el equipo de la IBN mientras que el otro extremo est conectado a la CBN, las descargas que se produzcan en esta ltima pueden producir descargas inducidas en modo comn en los pares del cable en cuestin. Si dichos pares terminan en dispositivos que pueden funcionar correctamente en presencia en tensiones de modo comn en rgimen permanente (por ejemplo, aisladores pticos, transformadores o dispositivos de proteccin contra descargas) y estos dispositivos pueden soportar tambin descargas en modo comn, puede resultar ventajoso el apantallamiento electrosttico que ofrece una pantalla en circuito abierto. En un cable coaxial, el conductor exterior termina, por fuerza, en los circuitos de interfaz de cada extremo. Para aislar el conductor exterior pueden utilizarse circuitos de interfaz que comprendan transformadores y aisladores pticos. Si un cable apantallado o una gua de ondas entra en la IBN desde la CBN, la estrategia

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generalmente ms eficaz consiste en conectar cada extremo de la pantalla o de la gua al armazn del equipo y establecer una conexin equipotencial entre el apantallamiento o la gua y la conexin monopunto. IBN en estrella: Este tipo de red se usa cuando los sistemas internos estn localizados en zonas relativamente pequeas y todas las lneas entran a la zona en un solo punto, como sucede en las viviendas, en los pequeos edificios comerciales, etc., y de manera general, cuando los equipos que no estn interconectados por cables de seal; ver Figura 4.

Fig. 3 Ejemplo de conductores de proteccin en estrella

Las componentes metlicas (ej.: gabinetes, carcasas, bastidores) de los sistemas internos se aslan del sistema de puesta a tierra y se conectan a esta slo mediante una nica barra de unin que acta como punto de referencia de tierra (ERP). Todas las lneas entre equipos individuales corren en paralelo con los conductores de unin siguiendo la configuracin en estrella para evitar lazos de induccin. IBN en malla: Este tipo de red se prefiere cuando los sistemas internos se extienden sobre grandes reas o toda la estructura, donde corren muchas lneas entre partes individuales de equipos y donde las lneas entran a la estructura por diferentes puntos.

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Es un tipo de IBN donde los componentes (ej.: gabinetes, carcasas, bastidores) de los sistemas internos no estn aislados del sistema de puesta a tierra sino que estn integrados a este mediante mltiples puntos de unin. Se consigue, por ejemplo, mediante varias interconexiones entre las hileras de armarios o la conexin de todos los armazones de equipo a una rejilla metlica tendida por debajo de los equipos. Esta rejilla, como es natural, est aislada de la CBN adyacente y de ser necesario puede tener prolongaciones verticales, con lo que se asemejara a una jaula de Faraday. Las dimensiones de la retcula se eligen en funcin de la gama de frecuencias del entorno electromagntico. En sistemas complejos, pueden utilizarse combinaciones de las configuraciones anteriores para aprovechar las ventajas de las mismas. Red en estrella uniendo mltiples mallas Este tipo de red es aplicable pequeas instalaciones con diferentes grupos pequeos de equipos de comunicaciones interconectados. Esta permite la dispersin local de las corrientes originadas por la interferencia electromagntica; ver Figura 5.

Fig. 4 Ejemplo de red en estrella uniendo mltiples mallas

Red en estrella uniendo una malla comn

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Las componentes metlicas de los equipos electrnicos no se aslan del sistema de puesta a tierra sino que se integran a ste mediante mltiples puntos de unin. Este tipo de red se recomienda cuando las instalaciones presentan alta densidad de equipos electrnicos para aplicaciones crticas, cuando los equipos estn distribuidos en zonas relativamente amplias o en la estructura completa, cuando corren muchas lneas entre las piezas individuales de los equipos, las lneas entran a la estructura en diversos puntos y en ambientes electromagnticos severos. Ver Figura 6.

Una red de unin equipotencial mallada es mejorada por las estructuras metlicas existentes del edificio. Esta es suplementada mediante conductores que forman una malla cuadrada.

Las dimensiones de la malla dependen del nivel de proteccin contra rayo seleccionado, del nivel de inmunidad de los equipos de la edificacin y de las frecuencias usadas en la transmisin de datos.

Las dimensiones de la malla se adaptarn a las dimensiones de la edificacin a proteger, pero no se excedern de 2 x 2 m en reas donde estn instalados equipos sensibles a las interferencias electromagnticas. En algunos casos, puede cerrarse la retcula de esta malla para cumplir con requerimientos especficos.

Fig. 5 Ejemplo de red en estrella uniendo una mallada comn

Para edificios con varios pisos, se recomienda que se instale en cada piso- una red de unin equipotencial. En la Figura 7 se muestran ejemplos de redes de uso comn; en cada piso hay un tipo de red diferente. Los redes de los distintos pisos se interconectan mediante, al menos, dos conductores.

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Fig. 6 Ejemplo de redes de unin equipotencial en edificio con LPS

Componentes de unin Para lograr una eficiente unin a la red equipotencial los componentes tienen que satisfacer las siguientes reglas: sus propiedades elctricas y mecnicas estn determinadas por las partes que

conectan y no por la propia interconexin. dichas propiedades se mantengan por un perodo de tiempo prolongado para

retardar la degradacin progresiva de su comportamiento. se apliquen los medios necesarios para lograr su fortaleza mecnica y evitar el

deterioro por los efectos de la corrosin o el aflojamiento mecnico. tengan una impedancia tan baja como sea posible. Barra de unin Las barras de unin sern instaladas para la unin de: todos los servicios entrantes a la LPZ (directamente con conductores o

mediante SPDs adecuados), el conductor de tierra de proteccin PE, los componentes metlicos de los sistemas internos (ej.:. gabinetes, carcasas,

bastidores),

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los apantallamientos magnticos de la LPZ en la periferia y dentro de la estructura.

El rea de seccin transversal de la barra de unin (generalmente de cobre) ser dimensionada de modo que tenga una baja impedancia. Para garantizar esto ltimo, deber ser lo ms corta posible y una forma tal que produzca bajas reactancia inductiva e impedancia/unidad de longitud de ruta. Donde se use la barra de unin como parte de una trayectoria de retorno de DC, su rea de seccin transversal se dimensionar de modo tal que la mxima cada de tensin a lo largo de la misma sea menor que 1 V, para la magnitud esperada de dicha corriente. Donde se requiera una barra de unin con finalidad de referencia, esta constituir una extensin de la barra principal de tierra (MGB) del edificio. Esta permitir conectar los sistemas de telecomunicaciones a la MGB mediante la ruta prcticamente ms corta desde cualquier punto del edificio. La barra de unin puede ser desnuda o aislada y ser instalada preferentemente tal que sea accesible a todo su largo. Para evitar la corrosin, puede ser necesario proteger los conductores desnudos en sus apoyos y donde estos pasen a travs de las paredes. Conductores de unin La efectividad de esta red de unin equipotencial depende, en buena medida, de la impedancia y del trazado de los conductores utilizados. Para conseguir esto: se usarn conductores desde las barras de unin al sistema de puesta a tierra y

del SPD a la barra de unin y a los conductores vivos que tengan longitudes lo ms cortas posible (menores que 0,5 m) para minimizar las cadas de tensin inductivas.

Se escoger el trazado de los conductores de modo que disminuya el rea de lazo o, cuando esto no sea posible, se usarn cables o conductos de cables blindados en el lado protegido del circuito (despus de un SPD) para minimizar los efectos de induccin mutua.

Algunos equipos electrnicos requieren una tensin de referencia cercana al potencial de tierra para su correcto funcionamiento. Esta tensin es brindada por los conductores de tierra referencia. Estos pueden ser cintas metlicas, trenzas planas y cables redondos.

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Para los equipos que operan a altas frecuencias, se prefieren las cintas metlicas y trenzas planas y las conexiones se harn lo ms cortas posible. Aunque no se les especifica ningn color, no se usarn verde-amarillo y ser el mismo a largo de toda la instalacin para poder identificarlos en cada extremo. Materiales y dimensiones

Componente de unin Material Seccin

transversal (mm2)

Barras de unin (cobre o acero galvanizado) Cu, Fe 50

Conductores de conexin desde las barras de unin hasta la instalacin de puesta a tierra o hasta otras barras de unin

Cu Al Fe

14 22 50

Conductores de conexin desde las canalizaciones metlicas internas hasta las barras de unin

Cu Al Fe

5 8 16

Conductores de unin de los SPDs Clase I Clase II Clase III

Cu 5 3 1

NOTA: Si se usa otro material debe tener una seccin transversal que garantice una resistencia equivalente.

Tabla 1 Sistema ideal de puesta a tierra y unin equipotencial

El esquema de la Figura 8 representa un sistema modelo por las siguientes razones: las perturbaciones externas afectan de modo mnimo al equipamiento

contenido en el edificio, porque: existen muchos conductores de bajadas del LPSEXT y mltiples conexiones a tierra. los diferentes conductores de tierra estn conectados a una nica instalacin de puesta a tierra.

el conductor de tierra de proteccin PE (independientemente del esquema de conexin a tierra) no afecta a las tierras de funcionamiento electrnicas, porque: no existe acoplamiento por impedancia comn (la red de tierra de proteccin est separada de la red de tierra de funcionamiento). En la prctica esto se hace en la distribucin (a nivel de cada piso) pero no es obligatorio para la columna de montantes,

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existe un campo radiado bajo si el PE forma parte del mismo cable que los conductores activos, el cable est dentro de una canalizacin metlica elctricamente continua y conectado en el origen de la instalacin.

todos los cables de telecomunicaciones van en una bandeja mallada (para reducir las interferencias) a una distancia de los circuitos elctricos 30 cm para evitar los efectos de acoplamiento magntico. Un conductor de tierra acompaante puede sustituir a dicha bandeja o completar su efecto para minimizar los efectos de eventuales bucles en alta frecuencia.

Las conexiones de telecomunicaciones entre pisos circulan por una canalizacin metlica que asegura la conexin de las tierras de funcionamiento. Las redes de tierra de proteccin y de funcionamiento podrn constituir una sola y nica red si se dan dos condiciones esenciales:

ausencia de perturbaciones alta frecuencia de grandes dV/dt y dI/dt. que las corrientes de falla en el conductor PE o el PEN sean pequeas y sin

distorsin armnica. Ciertos especialistas de la EMC indican que, aunque no se cumplan completamente estas condiciones, las redes de masas y tierra pueden estar ntimamente conectadas, con la condicin de que las planchas, las estructuras, los conductos de cables estn muy mallados (bsqueda de la equipotencialidad total por divisin de corrientes y minimizacin de bucles). Esta solucin, difcil de realizar a nivel de grandes obras (interconexin de las armazones metlicas y de todos los herrajes), puede convenir para edificios muy especializados tales como centros informticos y centrales telefnicas.

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Fig. 7 Ejemplo de sistema de puesta a tierra y unin equipotencial

Bibliografa: IEC 60364 Ed.2: Low voltage electrical installations - Part 4-44: Protection for

safety - Protection against voltage disturbances and electromagnetic disturbances. 2007.

NC IEC 62305: Proteccin contra rayo - Parte 4: Proteccin de equipos elctricos y electrnicos contra el LEMP. 2006

Practical Guide to Electrical Grounding, W. Keith Switzer, 1999, ERICO, Inc.

Cuaderno Tcnico No. 177 Perturbaciones en los sistemas electrnicos y esquemas de conexin a tierra, Roland Calvas, 1998, Grupo Schneider.

Clause 4 of IEEE Standard 1100-2005.

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Grounding and bonding La CBN en ANSI T1.333-2001 se define como:

El medio principal para efectuar la unin y conexin a tierra dentro de un edificio de telecomunicaciones. Es el conjunto de todos los elementos metlicos intencional o incidentalmente interconectados para formar la red de unin principal (BN) en un edificio. Estas componentes incluyen: el acero estructural o las barras de refuerzo, las tuberas metlicas, los conductos de alimentacin de AC, los conductores de tierra de AC de los equipos (ACEGs), las bandejas de cable y los conductores de unin. La CBN siempre tiene una topologa de malla y est conectada al sistema de electrodos de tierra.

El concepto de la CBN fue desarrollado por la industria de las telecomunicaciones como una manera de describir la integracin (unin comn) de los sistemas metlicos de los edificios y estructuras que se produce fundamentalmente mediante la unin intersistema, otras uniones intencionales y la unin incidental. Un trmino equivalente destacado en ANSI T1.333-2001 es el de red de tierra de edificio. Este concepto de la CBN fue necesario para diferenciarlo de los sistemas de telecomunicaciones especializados con un nico punto de tierra aislado dispuestos como una red de unin aisladaIBN. Para la CBN, no existe un trmino equivalente directo en el NEC. No existe un trmino equivalente directo para en el ambiente de room de ITE como se describe en NFPA 75. No existe un trmino equivalente directo expresado en el ANSI/TIA/EIA J-STD-607-A para los edificios comerciales. Sin embargo, existe la necesidad tanto para ambientes de room de ITE como de edificios comerciales de identificar las entidades comnmente unidas (una red) inherente en cada localizacin. Sin la identificacin de la CBN, se hacen difciles de identificar y describir adecuadamente otras redes de tierra y unin necesarias. Por lo tanto, la prctica recomendada es adoptar la terminologa y definicin de la CBN dada por ANSI T1.333-2001. Ntese que la estructura de referencia de seal (SRS) attaches to la CBN y ampla efectivamente a la CBN. De modo similar, la red de unin mallada (BN mallada) tambin descrita en ANSI T1.333-2001 attaches a la CBN y tambin ampla a la CBN. Tanto la SRS como la BN mallada estn diseadas para aplicaciones de alta frecuencia. La SRS y la BN mallada son equivalentes aproximados. El ejemplo principal de la CBN es la multiconexin a tierra y unin que normalmente se produce cuando el sistema elctrico de AC est instalado en el edificio de acuerdo con el NEC. El resto de las conexiones a los conductores de

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tierra del sistema elctrico de AC y entidades conectadas a tierra (tales como una tubera de agua y rack work) sirven para aumentar y ampliar la CBN. El sistema de electrodos de tierra, aunque es una entidad separada, se convierte en parte de la CBN (debido a que la CBN siempre tiene que estar conectada a tierra). Por ejemplo, las vigas y columnas de acero del edificio expuestas que se utilizan como sistema de electrodos de tierra tambin se unen a la topologa seleccionada para la CBN. Un ejemplo donde el sistema de electrodos de tierra se aproxima notablemente convirtindose en una entidad totalmente separada de la CBN es donde existe una red de unin comn a worst-case escasa (SCBN). Las mltiples interconexiones de las estructuras y objetos metlicos, como contribuyentes a la capacidad de blindaje de la CBN, son deseables e incrementan la utilidad de la CBN para funcionar como parte de una red de unin de equipos. Esta incluye las partes metlicas del edificio tales como las vigas I y el refuerzo del hormign donde sea accesible, los soportes de cable, canalizaciones, bandejas y conductos para alimentacin elctrica de AC.. Ciertamente, la CBN siempre existe en el edificio. Una CBN es comnmente ms explcita y visible en un RAA o un ambiente industrial que en un rea tpica de oficina en un edificio comercial donde la CBN puede ser escasa (limitada). Debido a situaciones tales como un rea tpica de oficina en un edificio comercial, una variante importante de la CBN es aquella donde la disponibilidad de los conductores de tierra y objetos est severamente limitada. Esta variante es llamada sparse common bonding network en esta prctica recomendada. Una SCBN se produce donde cualquier conexin a tierra en malla o multipunto (MPG) es usualmente incidental. Un simple ejemplo de ocurrencia de un SCBN es donde existan las siguientes condiciones: a) El edificio est construido con bloques de hormign (el edificio no se dispone de acero) b) Las tuberas de agua son de PVC (no metlicas) c) Los conductos elctricos son de PVC (no metlicos) (prctica no recomendada) d) No se utiliza estructura metlica de soporte e) El rea de inters est alimentada por circuitos ramales de AC desde otra rea (el panel de AC no est ubicado en el rea de inters)