El Cómo y Porqué de la tierra aislada

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El Cómo y Porqué del Aterramiento Aislado Por: Thomas M. Gruzs, Liebert de Corporación, Colón, Ohio Traducción: Jaime Vázquez parada

Cuando el receptáculo de aterramiento se instala en una caja metálica, este deberá aislarse del montaje restante, aislando el circuito de tierra del sistema de tuberías aterradas. El aterramiento de equipo electrónico sensible se cree sea cosa de magia negra. Una técnica de aterramiento frecuentemente utilizada en equipo electrónico sensible; que ha contribuido a esta aura de misterio, es la tierra aislada. Existe mucha confusión acerca de lo que es la " tierra tierr a aislada" (IG) , como se implementa, y por qué se usa. Ruido como Interferencia

El ruido de modo común es una perturbación de la potencia particularmente difícil de controlar. El ruido de modo común, como su nombre lo indica, es cualquier señal indeseable que es común a todos los conductores de circuito simultáneamente. La otra forma de ruido es el de modo normal (también conocido como transverso o ruido de modo diferencial) que es cualquier señal indeseable que existe entre los conductores del circuito. En sistemas de potencia alterna AC, la diferencia de potencial entre neutro y tierra es una forma de ruido de modo común, cualquier cambio en el potencial de neutro con respecto a tierra también afecta la diferencia de potencial de los otros conductores del circuito con respecto a tierra. Otra forma más problemática de ruido de modo común son las diferencias de potencial de la tierra a lo largo de un sistema eléctrico. Cuando los múltiples dispositivos electrónicos son interconectados para manejar controladores, datos o comunicación cablegráfica, cualquier diferencia de potencial a tierra entre los componentes del equipo se convierte en ruido para los controladores, datos o circuitos de comunicación. Es virtualmente imposible mantener todos los chasis a potencial de tierra o a los dispositivos electrónicos al mismo potencial bajo todas las circunstancias posibles. Por lo tanto, debe diseñarse algún nivel de inmunidad al ruido de modo común, en los dispositivos electrónicos que se piensen conectar. Adicionalmente, supresores de pico, el cableado, el blindaje, y el aterramiento del sistema eléctrico del edificio (incluyendo los controladores, datos y la comunicación cablegráfica) puede tener un efecto  pronunciado sobre los niveles de señales de modo común a la cual los equipos electrónicos están expuestos. Debido a que diferencias de potencial en el aterramiento de equipos (o cambios en el  potencial) afectan la operación segura de dispositivos electrónicos. Los diseñadores, instaladores y personal de servicio han sido muy específicos en algunos requerimientos

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especiales para el aterramiento. La mayoría de estas técnicas especiales de aterramiento han evolucionado basadas en pruebas empíricas (ensayo y error) más que sobre el análisis detallado. Algunos de los más creativo arreglos para el aterramiento se idean en función de la reducción del ruido, pero frecuentemente ignoran los principios básicos de electricidad, tales como que la electricidad sigue las trayectorias de impedancia menor, la electricidad fluye en trayectorias cerradas y también que la electricidad fluye debido a que existe diferencia de potencial. Adicionalmente, cuando se trata de reducir los efectos de "ruido," los fundamentos del acoplamiento de ruido se ignoran . Para mayor  información sobre los fundamentos en el control de ruido, ver Referencia 1. Una técnica de aterramiento especial aplicada en bajo voltaje (en sistemas AC ), para reducir interferencia se conoce como aterramiento aislado (IG). IG está permitido en los U.S. por el Código Eléctrico Nacional (NEC)2 y en el Canadá por el Código Eléctrico Canadiense (CEC)3. En ambos casos, IG es una excepción a la norma estándar  de aterramiento. NEC 250-74 y 250-75 que permite aplicar IG donde se requiera reducción de ruido eléctrico sobre el circuito de tierra.. IG de Receptáculos

El IG de receptáculos difiere de los receptáculos estándares en dos manera importante,. (Figura)1. Primero: con un receptáculo IG, el receptáculo de tierra se encuentra aislado eléctricamente del receptáculo del cajetín, lo cual aisla al receptáculo del circuito de tierra de la tubería metálica aterrada cuando se conecta el receptáculo en un cajetín metálico. De aquí el término tierra aislada. Segundo: para diferenciar el receptáculo IG de los receptáculos estándares, la cara del receptáculo se colorea de naranja o se marca con un triángulo anaranjado. El aislamiento del terminal de tierra en el receptáculo del cajetín es la diferencia eléctrica importante, que existe. Un receptáculo IG se usa a veces a causa de su marca distintiva. De esta manera, el receptáculo anaranjado nítido indica que el receptáculo será usado exclusivamente para equipo electrónico sensible y que las otras cargas "sucias" no deberán ser enchufadas en el receptáculo IG.

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Figura 1. Comparación de un Receptáculo Estándar Con un IG de Receptáculo.

El propósito primario del aterramiento en sistemas de potencia alterna (AC) es la seguridad del personal y el equipo. El propósito secundario de aterrar el sistema de  potencia AC para equipos electrónicos sensibles es el propio desempeño del equipo, específicamente la reducción de perturbaciones de modo común. Muchas veces estos dos propósitos se inspeccionan probabilísticamente de forma separada como si fueran mutuamente excluyentes. ¿Sin embargo, qué bueno puede ser un sistema que funcione  pero que no sea seguro o viceversa? La meta del aterramiento en sistemas electrónicos sensibles debe ser proveer sistemas seguros y que funcionen correctamente. El  propósito del aterramiento siempre debe ser el de la seguridad y nunca deberá ser   precedido por el del funcionamiento. Por lo tanto, los requerimientos del CEN (código eléctrico nacional NEC) en cuanto al aterramiento y la seguridad nunca deberán ser  comprometidos en aras del funcionamiento. Las razones básicas para el aterramiento en sistema de potencia alterna AC son: limitar  los voltajes de los circuitos, estabilizar el voltaje de los circuitos a tierra, y facilitar la operación del dispositivo de protección para sobrecorriente (OPD) en caso de una falla a tierra. Para aterrar sólidamente los sistemas de potencia AC de bajo voltaje, el CEN (NEC) requiere que todas las partes metálicas del sistema eléctrico sean efectivamente aterradas para minimizar las descargas eléctricas por diferencia de potencial y para facilitar la operación del OPD para despejar fallas a tierra. El NEC define efectivamente aterrado como tener un camino a tierra que: (1) es permanente y continuo, (2) tiene amplia capacidad para transportar corriente de fallas a tierra, y (3) tiene impedancia lo suficientemente baja como para permitir la operación del OPD y así despejar una falla rápidamente [NEC 250-51]. Estos requerimientos exigen un conductor permanentemente aterrado y conectado a todas las partes metálicas del sistema eléctrico y a cualquier otra parte conductora que  pueda llegar a ser energizada. A fin de facilitar la operación del OPD en despejar fallas a tierra, los conductores de tierra deben conectarse en el punto de tierra del sistema de  potencia (barra de tierra a la salida del transformador que los alimenta). En la Figura 2. Se puede observar un ejemplo típico del sistema de potencia en baja tensión, cuando se utilizan receptáculos estándar. Si una falla a tierra ocurriera en el lado de la carga, como se observa en la Figura 3, el sistema aterrado proveería una trayectoria efectiva a tierra porque: (1) los conductores de aterramiento son apropiados para ser usados como conductor a tierra según NEC (Código Eléctrico Nacional), están permanentemente conectados y son continuos, (2) los conductores a tierra son del tamaño adecuado según el NEC y tienen suficiente capacidad como para manejar corrientes de falla a tierra., y (3) los conductores cumplen con el NEC al tener impedancia suficientemente baja como para permitir la operación del OPD y despejar una falla rápidamente.

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Figura 2. Sistema de potencia típico con aterramiento convencional y Receptáculos Estándares.

Figura 3. Ejemplo de una Falla a tierra con Receptáculos Estándar.

El experimento de Kaufmann

El experimento de Kaufmann demostró la importancia de enrutar los conductores de  potencia y tierra en el mismo camino. La estructuración básica del experimento se observa en la Figura 4. Una fuente de corriente se conectó al conductor de fase y a pares de posibles trayectorias de retorno a tierra. En una comparación de las impedancias relativas a una tubería de acero (conduit) de 100 pies de longitud vs un conductor #4/0 aislado de tierra (externo a la tubería), el 90% de la corriente de falla a tierra fluyó a lo largo de la tubería y únicamente el 10% fluyó a través del conductor de tierra conectado fuera de la tubería . La impedancia de la tubería (conduit) fue nueve veces menor que la impedancia de los conductores a tierra externos a la tubería. Pero, cuando el conductor  #4/0 de tierra fue enrutado con los conductores de fase, dentro de la tubería, el 80% de

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la corriente de falla fluía sobre el conductor de aterramiento y únicamente un 20% fluyó sobre la tubería.

Figura 4. Experimento de Kaufmann quien determinó la eficacia relativa de diversas trayectorias de falla a tierra [5] La impedancia del conductor de aterramiento era cuatro veces menor que la tubería. De aquí en adelante, la práctica recomendada para el equipo electrónico sensible fue la de usar un conductor de aterramiento aislado y enrutado en el mismo conducto que los conductores de potencia y no confiar en la tubería que siempre está sujeta a la corrosión, conexiones flojas, etc. Para completar la comparación, cuando el acero del edificio se comparó con la tubería rígida, el 95% de la corriente de falla fluyó sobre la tubería y sólo el 5% fluyó sobre el acero de edificio. El experimento de Kaufmann tuvo un efecto pronunciado sobre el NEC. Con anterioridad al mismo, se permitía enrutar los conductores de aterramiento externos a la  bandejas por donde pasan los otros conductores. Después, el código se cambió para exigir que los conductores de aterramiento se enrutarán con los otros conductores del circuito en el mismo camino. Es importante que el cableado IG provea una efectiva trayectoria de falla a tierra desde el equipo conectado a la fuente de potencia. La figura 5 es un ejemplo de un típico sistema de potencia en baja tensión que usa IG de receptáculos, como lo indica el NEC. Observe que el terminal de tierra del receptáculo no está conectado al receptáculo de la tubería aterrada. Un conductor de aterramiento aislado (IG) se conecta al terminal de tierra del receptáculo y se encamina con los conductores de potencia, pasando a través de uno o más tableros, permaneciendo aislaron de la tubería de metal y conectado al sistema de aterramiento hasta el punto aterrado, donde finaliza el sistema de potencia (a la entrada del servicio, en este ejemplo). Si una falla a tierra ocurriera en el lado de la carga, el conductor de aterramiento aislado deberá proveer una trayectoria efectiva a tierra como se observa en la Figura 6. El conductor IG: 1. Es permanente y continuo 2. Tiene amplia capacidad de corriente, al ser diseñada de acuerdo al NEC

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3.

Tiene una trayectoria de muy baja impedancia que permite al OPD despejar falla a tierra.

Figura 5. El Sistema de potencia típico con IG Cableado

Figura 6. Ejemplo Falla a tierra con IG Cableado Aterramiento IG tipo “Hardwired”

Esta es otra forma de IG permitido por el NEC en NEC 250-75 (también por  excepción). La carga “hardwired” es directamente conectada sin el enchufe ni el receptáculo, también puede aterrarse usando conductor de aterramiento aislado. Con el equipo “hardwired” no hay receptáculo IG para aislar el conductor de aterramiento de equipo a la tubería metálica, un bushing no conductor o una barra ajustable puede meterse en el terminal hacia la tubería o bandeja de conductores (Figura 7). De esta

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manera, el equipo aterrado se aisla de la tubería metálica y del sistema de cables (raceway) pero todavía se encuentra efectivamente aterrado (por seguridad), al igual que anteriormente se discutió para los receptáculos IG .

Figura 7. Cableado IG para equipo “hardwired” (Directamente conectado) La excepción IG a el NEC 250-75 para equipamiento “hardwired” ha sido recientemente agregada al NEC. Queda todavía alguna controversia con respecto a si el cableado IG para equipo ”hardwired” es efectivo para la reducción al ruido de modo común y si siempre es seguro. Un punto de interés, es que para lograr el aislamiento del equipo aterrado, la carcaza de metal del equipo también debe aislarse de tierra. Este aislamiento podría permitir choques por diferencia de potencial o descargas entre los alrededores aterrados y las partes del IG, durante ciertas condiciones cuando fluyan grandes corrientes a tierra. Inseguro e Incorrecto el Cableado IG

A veces, los requerimientos del IG se malinterpretan y se piensa que los circuitos IG deben estar verdaderamente aislados. La figura 8 es un ejemplo de la interpretación incorrecta del IG. Los terminales de aterramiento de los receptáculos de IG se agrupan a una barra IG y se conectan entonces a un electrodo de aterramiento separado. A veces  por querer asegurar una extraordinaria conexión a tierra del electrodo y con la esperanza de proveer una "tierra sólida" para equipos electrónicos sensibles.

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Figura 8. Ejemplo de una Interpretación Incorrecta e Insegura de IG

Figura 9. Aterramientos aislados y dedicados no proporcionan un efectivo camino  para fallas a tierra. A pesar de las buenas intenciones del IG aislado mostrado en la Figura 8, este fracasa al no seguir los requerimientos básicos de seguridad del sistema aterrado. El IG aislado allí enfocado no provee la trayectoria efectiva a tierra requerida por que el NEC que resultan en condiciones inseguras y peligrosas. Considere la posibilidad de una falla a tierra de algún equipo, como se observa en la Figura 9. Observe que no existe una trayectoria efectiva entre el aterramiento aislado dedicado (Isolated Dedicated Ground) y el aterramiento de la fuente de potencia (entrada del servicio). Se desconoce si la

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trayectoria a tierra entre estos dos electrodos de aterramiento es permanente y continua o de suficiente capacidad. Adicionalmente, la trayectoria del terreno seguramente no tiene una impedancia lo suficientemente baja como para permitir al OPD despejar fallas a tierra rápidamente y sin riesgo. La impedancia de las conexiones de los electrodos a tierra se mide en ohms, mientras que la impedancia del camino para fallas a tierra debe estar en milliohms. Adicionalmente, cualquier diferencia de potencial que ocurra entre el electrodo aislado, dedicado de aterramiento y el electrodo de aterramiento del sistema de potencia (que debe existir porque uno se refiere a aterramiento "sólido" mientras el otro se refiere a aterramiento "sucio") aparecerá como un voltaje de modo común (N-G) en los equipos conectados. El intento original de esta IG aislado fue el de reducir el ruido eléctrico, el resultado es realmente un aumento en los potenciales del ruido de modo común en las cargas sensibles. Significativas diferencias de potencial a tierra pueden aparecer cuando existan grandes corrientes circulando, durante fall as a tierra, relámpagos o cuando nubes cargadas de electricidad se muevan sobre el área. Un resultado común del incorrecto IG aislado, es el daño al equipo conectado en el lado de la carga. Una observación interesante de las incorrectas e inseguras prácticas del aterramiento es que el equipo puede continuar operando aunque se aterre inadecuadamente y que el daño puede ocurrir bajo ciertas condiciones, tales como durante una falla a tierra o durante una tormenta eléctrica. Quizás el nombre de aterramiento aislado contribuyó a una mal interpretación de las técnicas de cableado IG. Un nombre mejor sería aislamiento del terreno, ya que el intento del IG no es la de aislar la tierra de las cargas sensibles del sistema de potencia, sino aislar y controlar donde se debe hacer la conexión a tierra del sistema de potencia. 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

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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.

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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).

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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.

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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 i mportante 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.

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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.