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ATERRAMIENTOS ELÉCTRICOS – MEDICIONES Por el Ing. Carlos Alberto García 1.- INTRODUCCIÓN Los aterramientos, tiene la importante misión de proteger las todos los elementos electrónicos y de potencia de las instalaciones bajo estudio Para medir estos aterramientos existentes deben utilizarse equipos especiales. Los terrómetros o megger de tierra, son analógicos o digitales digitales y deben contener 4 carretes de cable calibre 14 AWG normalmente. También traen 4 electrodos de material con la dureza suficiente para ser hincados en la tierra con martillo. Además de lo anterior se sugiere contar con medidor de temperatura y medidor de humedad. El electrodo de voltaje debe ser colocado en la misma dirección del electrodo de corriente, pero también puede ser colocado en la dirección opuesta como lo ilustra la figura 2. En la practica, la distancia “d” para el electrodo de voltaje se elige al 62% de la distancia del electrodo de corriente. Esta distancia esta basada en la posición teóricamente correcta para medir la resistencia exacta del electrodo para un suelo de resistividad homogéneo. La localización del electrodo de voltaje es muy critico para medir la resistencia de un sistema de puesta a tierra. La localización debe ser libre de cualquier influencia del sistema de puesta tierra bajo medida y del electrodo auxiliar de corriente. La manera más practica de determinar si el electrodo de voltaje esta fuera de la zona de influencia de los electrodos es obtener varias lecturas de resistencias moviendo el electrodo de voltaje en varios puntos entre el sistema de puesta a tierra y el electrodo de corriente. Dos o tres lecturas constantes y consecutivas pueden asumirse como representativas del valor de resistencia verdadera. 1 3 N
I1
I2
T1
I3 T2
T3
(V2)
(V3)
T4
Electrodode Tierra
(V1)
Sonda de Tensión
(COM)
Método de los 3 puntos de medición de aterramientos Existentes Donde:
C1: Corriente 1 P1: Potencial 1 P2: Potencial 2 C2: Corriente 2
Sonda de Corriente
Los terrómetros tienen cuatro terminales: 2 de corriente (C1, C2) y 2 de potencial (P1, P2) y están numerados en el aparato C1 P1 P2 C2. Los terrómetros deben estar certificados y probados en el campo con una resistencia antes de realizar las mediciones. Cuando no existe terreno lindero, los cables rojos y amarillo, se conectan a algún elemento puesto a tierra, tales como tuberías metálicas sólidamente aterradas. En este caso, se denomina “Método de los 2 puntos” a este tipo de conexión para medir resistencias de aterramientos existentes. La medida del valor óhmico de un electrodo enterrado se realiza por dos razones: • Confrontar su valor, posteriormente a la instalación y previo a la conexión del equipo, contra las especificaciones de diseño. • Como parte del mantenimiento de rutina, para confirmar que su valor no ha aumentado sustancialmente respecto del valor medido originalmente o de su valor de diseño. Las fotos de la izquierda muestran 2 de los modernos equipos digitales con que cuenta nuestra empresa para realizar dichas mediciones El equipo tipo pinza se debe utilizar, cuando no tenemos fácil acceso a tierra exterior, cubierta por cemento o relleno y puede usarse en general (Algunas veces el sistema de puesta a tierra se encuentra rodeado de suelos cubiertos por pavimentos, concreto o cemento y en los cuales no es fácil la colocación de los electrodos de prueba tipo varilla)
Medida de la RPT mediante medidor tipo pinza Este es un método práctico que viene siendo ampliamente usado para medir la puesta a tierra en sitios donde es imposible usar el método convencional de caída de potencial, como es el caso de lugares densamente poblados, celdas subterráneas, centros de grandes ciudades, etc . El medidor tipo pinza mide la resistencia de puesta a tierra de una varilla o sistema de puesta a tierra simplemente abrazando el conductor de puesta a tierra o bajante como lo ilustra la figura siguiente
Medición de la RPT utilizando pinza. El principio de operación es el siguiente: El neutro de un sistema multiatterizado puede ser representado como el circuito simple de resistencias de puesta a tierra en paralelo (Ver circuitos siguiente). Si un voltaje “E” es aplicado al electrodo o sistema de puesta a tierra Rx, la corriente “I” resultante fluirá a través del circuito. Típicamente los instrumentos poseen un oscilador de voltaje a una frecuencia de 1.6 kHz y la corriente a la frecuencia generada es recolectada por un receptor de corriente. Un filtro interno elimina las corrientes de tierra y ruido de alta frecuencia.
Circuito equivalente para un sistema multiaterrizado. La relación entre el voltaje y la corriente es determinada por el instrumento y desplegada en forma digital. El método está basado en la suposición de que la impedancia del neutro del sistema multiaterrizado, excluyendo el electrodo bajo medida, es muy pequeña y puede ser asumida igual a cero. La ecuación es la siguiente:
Donde usualmente,
Con esta suposición, la lectura indicada representa la resistencia de puesta a tierra del sistema o electrodo que se esta midiendo. El método posee las siguientes limitaciones: • La aplicación es limitada a electrodos conectados a sistemas multiaterrizados de baja impedancia. • Conexiones corroídas o partidas del neutro del sistema (o cable de guarda) pueden influenciar las lecturas. • No es aplicable a sistemas de puesta a tierra aterrizados en múltiples puntos (torres de transmisión o mallas de subestaciones). • Ruido de alta frecuencia en el sistema podría influenciar las lecturas. - Altas resistencias en las conexiones con el electrodo de puesta a tierra.
2. EJEMPLOS DE LECTURAS OBTENIDAS Humedad relativa ambiente al iniciar las mediciones: 49,2 % Temperatura ambiente al finalizar las mediciones: 32,5 ºC Unidad de resistencia utilizada: Ohm ( Ω) 2.1.- Mediciónen barra Copperweld y soldadura exotérmica Lectura: 0,01 Ohm La figura de la izquierda muestra la lectura, y la de la derecha muestra la tanquilla de medición. 2.2.- Medición en barra de aterramiento Lectura a la llegada del cable: 0,01 Ohm Lectura en la barra: 0,08 Ohm Este resultado indica que debe ajustarse correctamente el Terminal del cable. La figura de la derecha muestra el punto de medición. 2.3.- Lecturas con pinza
Las 3 lecturas siguientes nos muestran valores muy diferentes. La primera (270 Ohms) nos indica que puede estar abierto el circuito de aterramiento, la segunda corresponde a un aterramiento en sub estación (7,9 Ohm) y nos indica que podría mejorarse, y la tercera corresponde a un aterramiento de chasis de circuitos electrónicos y nos muestra muy buen valor (0,9 Ohm)
2.4.- Aterramiento de pararrayos (Puntas Franklin) Es recomendable que los aterramientos para descargas atmosféricas sean independientes al resto de aterramientos, porque en los primeros las descargas son de miles de voltios y fracciones de estos se manifestarán en todas las ramificaciones de aterramientos comunes. Estas fracciones, pueden llegar a ser pocos voltios, pero suficientes para dañar otros equipos conectados, especialmente electrónicos Ejemplo: Aterramiento en caja de medición de pararrayos Lectura: 1,5 Ohm (Valor aceptable) La figura de la derecha muestra esta caja.
3.- PUESTA A TIERRA DE SISTEMAS Y EQUIPOS. Los sistemas de puesta a tierra deben ser diseñados para asegurarse que, durante una falla a tierra, los potenciales tanto en el terreno como en los conductores conectados al electrodo de tierra o en los conductores expuestos en la cercanía, estén dentro de los límites apropiados. 3.1.-Disposiciones Internacionales. En el ámbito internacional, es muy conocido y empleado el grupo de estándares del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE - Institute of Electrical an Electronics Engineers):
3.1.a) Sistemas de Puesta a Tierra. ANSI / IEEE Std. 81: 1983, Guía para la medición de Resistencias de Tierra, Impedancias de Tierra y Potenciales de Superficie de Tierra en Sistemas de Aterramiento. 3.1.b) Instalaciones domiciliarias, comerciales e industriales. ANSI C114.1-1973 / IEEE Standard 142-1972 IEEE Práctica Recomendada para Aterramientos de Sistemas de Potencia Industriales y Comerciales. 3.1.c) Subestaciones eléctricas de media y alta tensión ANSI / IEEE Standard 80-1986 IEEE Guía para Seguridad en Aterramientos de subestaciones AC. Norma USA que cubre aspectos técnicos y de diseño. Incluye modelamiento de terreno, distribución de corriente de falla, ejemplos trabajados y consideraciones especiales, por ejemplo, subestaciones encapsuladas (GIS). Esta Norma se considera generalmente rigurosa en su aproximación. La instalación eléctrica deberá cumplir con las normas exigidas en el código Eléctrico Nacional, en lo relacionado a la puesta a tierra del sistema eléctrico y a las cubiertas metálicas de conductores y equipos, según se especifica a continuación: El conductor neutro de las acometidas deberá ser puesto a tierra en la sala de electricidad. Esta puesta a tierra deberá efectuarse por medio de un conductor de cobre puesto a tierra, (CEN 250-81). El conductor de puesta a tierra deberá colocarse en la canalización metálica separada y la conexión a la tubería de agua ó a la barra coperwell de 1/8" deberá efectuarse por medio de abrazaderas dentadas o conectores de presión, aprobadas para este uso. • Esta conexión a tierra empleará cable y su ubicación se resolverá según lo indique el plano eléctrico. • La canalización metálica de distribución eléctrica se considerará puesta a tierra al conector la cubierta metálica de los tableros. Los cuales a su vez estarán puesto a tierra a través de un conductor destinado especialmente para ello a la tubería metálica de su alimentador. • En las cajas de paso y cajas de tableros, las tuberías metálicas que rematen en ellas deben estar en íntimo y firme contacto con la caja. De no ser esto posible y también en aquellas partes donde se interrumpe la continuidad eléctrica del sistema de canalización metálica como en las juntas de dilatación, se instalarán puentes de cobre entre las partes de agua que sirve de electrodo de puesta a tierra. • Las cubiertas metálicas de los equipos fijos de ubicación deberá ser puesto a tierra mediante la conexión directa; o a través del contacto de tierra de tomacorrientes, a la canalización metálica o conductor de tierra según lo especificado en los planos. •
4.- Requisitos básicos de una puesta a tierra Los requisitos principales de una puesta a tierra se pueden resumir en lo siguiente: • Permitir la conducción a tierra de cargas estáticas o descargas atmosféricas. • Garantizar a niveles seguros los valores de la tensión a tierra de equipos o estructuras accidentalmente energizados y mantener en valores determinados la tensión fase–tierra de sistemas eléctricos, fijando los niveles de aislamiento. • Permitir a los equipos de protección aislar rápidamente las fallas. Ahora bien, para realizar adecuadamente estas funciones, una puesta a tierra debe presentar las siguientes características: • Baja resistencia • Capacidad de conducción. De una forma general se espera que una puesta a tierra tenga suficiente capacidad de dispersión de determinados valores de corriente hacia el suelo sin permitir que los potenciales en la superficie de éste suelo tenga niveles comprometedores para la seguridad de las personas por causa de una falla (control de gradiente de potencial).
5.- Constitución de una puesta a tierra La resistencia ofrecida al paso de la corriente eléctrica a través de un electrodo hacia el suelo tiene tres componentes principales: 1. Resistencia del electrodo (metal): La cual es despreciable en comparación con el item 3. 2. Resistencia de contacto entre el electrodo y el suelo. Se puede despreciar si el electrodo esta exento de cualquier cubierta aislante como tintas, pinturas, grasa, etc; y si la tierra esta bien compactada en la zona de contacto de sus paredes. 3. Resistencia de la tierra circundante: ésta es realmente la componente que influye en el valor de la resistencia de una puesta a tierra y depende básicamente de la resistividad del suelo y de la distribución de la corriente proveniente del electrodo. Alrededor del electrodo de puesta a tierra, la resistencia del suelo es la suma de las resistencias serie de las celdas o capas concéntricas circundantes del suelo, localizadas progresivamente hacia fuera del electrodo. A medida que aumenta la distancia, las capas del suelo presentan una mayor área transversal a la corriente y por tanto una menor resistencia. Se sigue entonces que la resistencia de puesta a tierra reside esencialmente en las capas de suelo más próximas al electrodo. Normalmente para una varilla de 2.4 metros, el 90% del valor de la resistencia de puesta a tierra se encuentra dentro de un radio de 3.0 metros. Los electrodos utilizados para obtener una toma de tierra para aplicaciones de baja tensión, suelen tener formas muy variadas, aunque los más comúnmente
utilizados tienen forma de barra o de placa. Los tipos de electrodos más comúnmente utilizados son: 5.1.- Placas enterradas: Las placas de cobre tendrán un espesor mínimo de 2 mm y las de hierro galvanizado de 2,5 mm. En ningún caso la superficie útil de la placa será inferior a 0,5 m 2. Se colocarán en el terreno en posición vertical y en el caso en que sea necesaria la colocación de varias placas se separarán unos 3 metros unas de otras. Las más utilizadas son las de 0,5 m x 1 m y las de 1 m x 1 m. Para la puesta a tierra de apoyos de líneas aéreas y columnas de alumbrado público, cuando lo necesiten, será suficiente electrodos que tengan en conjunto una superficie de contacto con el terreno de 0.25 m2, con lo que se pueden utilizar 0,5 m. ⋅de 0,5 m Las planchas requieren mayor excavación manual o mecánica y, por lo tanto, el costo de instalación puede muy alto. Debido al elevado costo de instalación, hoy día rara vez se justifica usar planchas, y las existentes, cuando se detecta deterioro, son reemplazadas normalmente por una agrupación de barras. Una expresión simplificada para determinar su resistencia de puesta a tierra es: siendo L [m] la profundidad máxima y ρe [Ohm-m] la resistividad equivalente del terreno.
5.2.- Picas verticales: El electrodo de tierra es el componente del sistema de puesta a tierra que está en contacto directo con el terreno y así proporciona un medio para botar o recoger cualquier tipo de corrientes de fuga a tierra. Los electrodos de tierra deben tener propiedades mecánicas y eléctricas apropiadas para responder satisfactoriamente a las solicitaciones que los afectan, durante un período de tiempo relativamente largo. El material debe tener buena conductividad eléctrica y no corroerse dentro de un amplio rango de condiciones de suelo. El material preferido generalmente es el cobre. El electrodo puede tomar diversas formas : barras verticales, conductores horizontales, placas, combinación de conductores horizontales y barras verticales (mallas de tierra).
5.2.1.- Barras Esta es la forma más común de electrodos, cuando no se requiere controlar los potenciales de superficie. Su costo de instalación es relativamente bajo y pueden usarse para alcanzar en profundidad, capas de terreno de baja resistividad. Generalmente la instalación de electrodos del tipo barras es la más conveniente y económica. La barra es de cobre puro o de acero recubierto de cobre. El tipo recubierto se usa cuando la barra se entierra por medios mecánicos (impacto) ya que el acero empleado tiene alta resistencia mecánica. La capa de cobre debe ser de alta pureza y aplicada electrolíticamente para que no se deslice al enterrar la barra. Existen picas acoplables mediante rosca y manguito que podemos ir uniendo una detrás de la otra, hasta que las mediciones obtenidas den el valor óhmico deseado. Se inicia el proceso clavando la primera pica de extremo roscado, el cual se ha protegido de los golpes con el llamado tornillo-sufridera, pieza que se coloca durante el clavado con objeto de proteger la rosca. Una vez clavada la primera pica, se quita la pieza de protección de la rosca y mediante un manguito roscado se acopla la segunda pica, a la que a su vez se le coloca también en su parte superior el tornillo-sufridera, para continuar con el clavado de la segunda pica. Este proceso puede repetirse tantas veces como lo permita el terreno, pudiendo llegar, en terrenos blandos, hasta profundidades de 10 y 15 metros. La resistencia de una barra vertical de radio a [m] y longitud 1 [m] enterrada desde la superficie en un terreno de resistividad equivalente ρe es
Por ejemplo, una barra tipo Copperweld de 1,5 metros de longitud, 8 milímetros de radio, en un terreno de resistividad equivalente 100 Ohm-metro, tiene una resistencia de puesta a tierra de: R: 59,63 ohmios
Las longitudes mínimas de estos electrodos no serán inferiores a 2 m. Si son necesarias dos picas conectadas en paralelo con el fin de conseguir una resistencia de tierra admisible, la separación entre ellas es recomendable que sea igual, por lo menos, a la longitud enterrada de las mismas; si son necesarias varias picas conectadas en paralelo, la separación entre ellas deberá ser mayor que en el caso anterior.
5.2.2.- Conductores enterrados horizontalmente:
La resistencia de un conductor cilíndrico horizontal de radio a [m] y longitud l [m] enterrado a un profundidad de h[m], con h < 1 , es:
En un terreno de 100 Ohm-m de resistividad equivalente, un conductor de 10 metros de longitud y 16 milímetros de diámetro, enterrado a 0,6 metros, tiene una resistencia de R = 13,93 Ohm Estos conductores pueden ser: - Conductores o cables de cobre desnudo de 35 mm 2 de sección, como mínimo. - Pletinas de cobre con un mínimo de 35 mm 2 de sección y 2 mm de espesor. - Pletinas de acero dulce galvanizado de, como mínimo, 100 mm 2 de sección de 3 mm de espesor. - Cables de acero galvanizado de 95 mm2 de sección, como mínimo.
No se aconseja el empleo de cables formado por alambres menores de 2.5 mm de diámetro
5.3.- Mallas de tierra Es un reticulado formado por la unión de conductores horizontales, normalmente según direcciones perpendiculares y uniformemente espaciados, incluyendo eventualmente conductores verticales (barras). Se utiliza especialmente cuando el objetivo principal de la puesta a tierra es mantener un control de potenciales en la superficie del terreno, con un bajo valor de resistencia. Para efectuar un cálculo aproximado de su resistencia de puesta a tierra, se utiliza la expresión de Laurent:
Donde: ρe : resistividad equivalente del terreno [Ohm-m] S : superficie que cubre la malla [ m2 ] L : longitud total de conductor de la malla [ m] En un terreno de 100 [Ohm-m] de resistividad equivalente, una malla de 10x10 m2, con cuatro retículos (3 conductores en cada dirección, igualmente espaciados) y enterrada a 0,8 metros de profundidad, tiene una resistencia aproximada de:
R = 6,1 Ohm
5.4.- Electrodo activo o barra química Consiste de un tubo de cobre llenado parcialmente con sales o sustancias conductivas, con perforaciones en los extremos superior (para ventilación) e inferior (para drenaje) y sellados ambos extremos con tapas. La humedad existente en el aire ingresa por las perforaciones de ventilación, entra en contacto con la sal o sustancia conductiva formando una solución electrolítica que escurre hacia la parte inferior del tubo y fluye a través de las perforaciones de drenaje hacia el suelo circundante, mediante osmosis. De este modo, el electrolito forma «raíces» en el terreno que lo rodea, las cuales ayudan a mantener su impedancia en un nivel bajo. Es una alternativa atractiva cuando no se dispone de mucho terreno y se desea obtener bajo valor de impedancia, (se estima del orden o inferior a 10 Ohms) pero tiene el inconveniente que requiere mantenimiento.
5.5.- Conexiones Las conexiones entre los diferentes componentes deben ser mecánicamente robustas, tener buena resistencia a la corrosión y baja resistividad eléctrica. Es prudente evitar uniones y conexiones innecesarias. Debe considerarse la duración y el valor de corriente de falla que se espera que soporte el sistema de tierra. Los métodos de unión empleados incluyen métodos mecánicos, soldadura en fuerte (bronceado), soldadura exotérmica y soldadura por fusión autógena.
5.5.1.- Conexiones mecánicas Son la conexión apernada (en el caso de cintas o barras de sección rectangular) y la conexión por compresión (abrazadera). Es esencial una conexión eléctrica de baja resistencia. En las conexiones apernadas, debe tenerse cuidando con el tamaño de las perforaciones taladradas para acomodar el perno, para no perjudicar la capacidad de transporte de corriente de la cinta o barra. El diámetro de esta perforación no debe ser superior a un tercio del ancho de la cinta o barra. Cuando se apernan metales diferentes (por ejemplo cintas de cobre y aluminio), las superficies deben ser minuciosamente limpiadas y protegidas por un inhibidor de óxido. Una vez hecha la conexión, el exterior debe ser recubierto por pintura bituminosa u otro medio para proteger contra el ingreso de humedad. Cuando se une cobre y aluminio, el cobre primero debe ser estañado. Estas conexiones no pueden ser enterradas y requieren constantes inspecciones. Para unir distintos tipos de conductores, por ejemplo barras de tierra a cinta o cable, se dispone de abrazaderas apropiadas.
El método de unión por remache no es aceptable, pues los remaches se sueltan y rompen por vibración, oxidación, etc.
5.5.2.- Uniones exotérmicas Estas uniones se realizan mediante un molde de grafito que se diseña para ajustar el tipo específico de unión y el tamaño de los conductores. Usando una pistola con pedernal se enciende una mezcla de polvos de aluminio y de óxido de cobre y la reacción que se crea forma una unión de cobre virtualmente puro entorno a los conductores. La reacción de alta temperatura se produce en el interior del molde de grafito. Este método de soldadura entre barras, cableados, tuberías, columnas, Etc se ha generalizado en los últimos años y resulta la más recomendable por su menor resistencia de unión, y menor mantenimiento. Los metales que pueden conectarse son acero inoxidable, bronce, cobre, acero con recubierta de cobre, acero galvanizado y riel de acero. Tipos de soldaduras exotérmicas
5.5.3.- Otros métodos de uniones. Cuando necesitan unirse componentes de cobre de gran tamaño, o en casos especiales, se utilizan otros métodos de soldaduras, que en la actualidad son de muy poco y particular uso.
5.6. Conductor del electrodo de puesta a tierra Se recomiendan los valores de la tabla siguiente:
Se debe usar un conductor para conectar al electrodo de puesta a tierra, los conductores de puesta a tierra de equipo, los envolventes de equipo de acometida y, si el sistema está puesto a tierra, el conductor de puesta a tierra de la acometida. El conductor del electrodo de puesta a tierra debe ser de cobre o aluminio. El material elegido debe ser resistente a la corrosión que se pueda producir en la instalación, y debe estar adecuadamente protegido contra la corrosión. El conductor debe ser macizo o cableado, aislado, forrado o desnudo, y debe ser de un solo tramo continuo, sin empalmes ni uniones. Un conductor del electrodo de puesta a tierra o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado. Un conductor de cobre o aluminio de 21,15 mm 2 (4 AWG) o superior se debe proteger si está expuesto a daño físico severo. Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de 13,3 mm2 (6 AWG) que no esté expuesto a daño físico, a lo largo de la superficie del edificio sin tubería o protección metálica, cuando esté sujeto firmemente al edificio; si no, debe ir en tubo (conduit) metálico tipo pesado, semipesado, ligero, en tubo (conduit) no- metálico tipo pesado, o un cable armado. Los conductores de puesta a tierra de tamaño nominal inferior a 13,3 mm 2 (6 AWG) deben alojarse en tubo (conduit) metálico tipo pesado, semipesado, ligero, en tubo (conduit) nometálico tipo pesado, o en cable armado. No se deben usar como conductores de puesta a tierra, conductores aislados o desnudos de aluminio que estén en contacto directo con materiales de albañilería o terreno natural, o si están sometidos a condiciones corrosivas. Cuando se utilicen a la intemperie, los conductores de puesta a tierra de aluminio no se deben instalar a menos de 45 cm del terreno natural. Se permite que los conductores de puesta a tierra de equipo sean cables desnudos y deben ser conectados al conductor del electrodo de puesta a tierra y
al conductor de puesta a tierra del equipo de la acometida, prolongándolos hasta el sistema de tierra del sistema.
5.7.- Relleno Derramando una mezcla de sustancias químicas y de tierra arneada en el volumen alrededor del electrodo se obtendrá una reducción inmediata y significativa en su resistencia de puesta a tierra. Sin embargo, si los elementos químicos usados se eligen debido a que son solubles, continuarán diluyéndose progresivamemte por agua de lluvia u otra causa y la resistividad del suelo entonces aumentará, hasta eventualmente retornar a su valor original. Se necesita un mantenimiento regular para reaprovisionamiento de los elementos químicos diluidos. Además del costo de mantenimiento, debe considerarse el impacto en el ambiente local de las sustancias químicas incorporadas, lo que puede entrar en conflicto con la legislación de protección al ambiente. Esta razón descarta un grupo de materiales que antiguamente se empleaban como relleno. En particular materiales que no debieran ser usados como relleno son: arena, polvo de coque, ceniza, y otros materiales ácidos y/o corrosivos. El material de relleno debe ser no-corrosivo, de un tamaño de partícula relativamente pequeño y, si fuera posible, que ayude a retener la humedad. Si el material previamente excavado es apropiado como relleno, debiera ser arneado previamente y asegurar luego una buena compactación. El suelo debiera tener un índice de pH entre 6,0 (ácido) y 10,0 (alcalino). La arcilla dura no es un material de relleno conveniente ya que si es fuertemente compactada, puede llegar a ser casi impermeable al agua y podría permanecer seca. En algunas circunstancias, se requiere emplear materiales de relleno especiales, debido a la deficiente conductividad eléctrica del terreno. En estos casos, se agregan deliberadamente algunos aditivos con la intención de reducir la resistividad del suelo en la vecindad del electrodo y de ese modo reducir su impedancia de puesta a tierra. El grado de mejoramiento depende principalmente del valor de resistividad original del terreno, de su estructura y del tamaño del sistema de electrodos. Materiales especiales de relleno para producir este efecto, son:
5.7.1. Bentonita Es una arcilla de color pardo, de formación natural, levemente alcalina, con un pH de 10,5. Puede absorber casi cinco veces su peso de agua, reteniéndola y de este modo expandirse hasta treinta veces su volumen seco. Su nombre químico es montmorillonita sódica. En terreno, puede absorber humedad del suelo circundante y ésta es la principal razón para usarla, ya que esta propiedad ayuda a estabilizar la impedancia del electrodo a lo largo del año. Tiene baja resistividad (aproximadamente 5 Ohm - metro ) y no es corrosiva. Se usa más a menudo como material de relleno al enterrar barras profundas. Se compacta fácilmente y se adhiere fuertemente.
5.7.2.- Yeso Ocasionalmente, el sulfato de calcio (yeso) se usa como material de relleno, ya sea solo o mezclado con Bentonita o con el suelo natural del área. Tiene baja solubilidad, y baja resistividad (aproximadamente 5-10 Ohm-metro en una solución saturada). Es virtualmente neutro, con un valor de pH entre 6,2 y 6,9. Se presenta en forma natural y se asegura que no causa corrosión con el cobre, aunque algunas veces el pequeño contenido de S03 ha causado preocupación por su impacto en estructuras de concreto y fundaciones (cimientos). El efecto beneficioso en el valor de la resistencia a tierra del electrodo es menor que en el caso de bentonita.
5.7.3.- Aporte de sales «gel». Dos o más sales en solución acuosa, acompañadas de catalizadores en la proporción adecuada, reaccionan entre si formando un precipitado en forma de “gel” estable, con una elevada conductividad eléctrica (resistividad de aproximadamente 1 Ohm-metro), resistente al ambiente ácido del terreno, con buenas cualidades higroscópicas e insoluble al agua. Esta última cualidad le confiere al tratamiento con esos materiales sintéticos su permanencia en el tiempo. Con estos gel se consigue reducciones en la resistencia de puesta a tierra de electrodos que van del 25% al 80% del valor original sin tratamiento.
6. MANTENIMIENTO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA El método aceptado para verificar la condición de un electrodo de tierra es mediante prueba o ensayo desde superficie. Sin embargo, la prueba de impedancia del sistema de tierra no necesariamente detectará, por ejemplo, corrosión en algunas componentes del electrodo o en las uniones y no es suficiente para indicar que el sistema de puesta a tierra está en buenas condiciones. La frecuencia del mantenimiento y la práctica recomendada en cualquiera instalación depende del tipo y tamaño de la instalación, su función y su nivel de voltaje. Por ejemplo, se recomienda que las instalaciones domésticas se prueben cada cinco años y las instalaciones industriales cada tres. Los locales con acceso de público requieren inspección más frecuente y dentro de los que requieren una inspección anual están las estaciones de combustibles, teatros, cines Etc.. Todos los tipos de instalaciones deben ser objeto de dos tipos de mantenimiento: A.- Inspección a intervalos frecuentes de aquellas componentes que son accesibles o que pueden fácilmente hacerse accesibles. B.- Examen, incluyendo una inspección rigurosa y, posiblemente prueba. La inspección del sistema de tierra en una instalación normalmente ocurre asociada con la visita para otra labor de mantenimiento. Consiste de una inspección visual sólo de aquellas partes del sistema que pueden verse directamente, particularmente observando evidencia de desgaste, corrosión, vandalismo o robo.
El procedimiento en diferentes instalaciones es el siguiente:
6.-1.- Instalaciones domésticas y comerciales. La inspección normalmente toma lugar asociada con otro trabajo en el local, por ejemplo, mejoramiento del servicio, extensiones, etc. El contratista eléctrico debe inspeccionar a conciencia y recomendar cambios donde observe que una instalación no satisface las normas correspondientes. En particular, debe asegurar que la conexión entre los terminales de tierra del proveedor y del cliente es de dimensión suficiente para cumplir la reglamentación.
6.-2.- Subestaciones de distribución industriales o de la compañía eléctrica. Requieren inspección regular, típicamente una vez al año, con inspección visual de todo el arreglo visible de conductores del sistema de tierra. Si la red de bajo voltaje es aérea, el sistema de tierra de la red se revisa como parte de las normas regulares de revisión de línea.
6.-3.- . Subestaciones principales de compañías eléctricas on monitoreadas continuamente por control remoto e inspeccionadas frecuentemente - típicamente 6 a 8 veces al año. Obviamente algunos casos de deficiencias en el sistema de tierra, tales como el robo de conductores de cobre expuestos, no pueden detectarse por el monitoreo continuo y deberían ser descubiertos durante una de estas visitas. El examen de un sistema de tierra normalmente es parte del examen del sistema eléctrico en su conjunto. Consiste de una muy rigurosa y detallada inspección del sistema de tierra global. En particular, el examinador revisará si el sistema satisface las normas de puesta a tierra vigentes. Además, el sistema debe probarse como se indica, de acuerdo al tipo de instalación:
6.-4.- Instalaciones domésticas y comerciales. El examen de estas instalaciones por parte de un contratista eléctrico se hace normalmente a solicitud del cliente. Se recomienda que este examen se realice con frecuencia no inferior a una vez cada 5 años. Como parte del examen se requieren dos tipos de pruebas independientes: • Prueba de impedancia del circuito de tierra. Se dispone de instrumentos de prueba comerciales para este propósito. • Prueba de funcionamiento de todos los interruptores de corriente residual existentes en la instalación. Esta prueba debe ser independiente del botón de ensayo incorporado en el interruptor.
6.-5.- Fábricas
Debe mantenerse un registro detallado de cada examen. El examinador debe revisar que el sistema de tierra existente cumpla con la reglamentación vigente. Además se requieren las siguientes pruebas para el sistema de tierra • Una prueba de impedancia del circuito de prueba. • Una prueba de funcionamiento de todos los interruptores de corriente residual. • Una prueba de conexión de todas las partes metálicas ajenas al sistemas eléctrico, es decir; tableros metálicos, gabinetes de control, distribuidores automáticos, etc. • Medida de resistencia del electrodo de tierra, si la instalación tiene su propio electrodo de tierra independiente; y comparar con su valor de diseño. Esto puede significar aislar el electrodo de tierra y puede por lo tanto requerir que se desconecte la energía durante el periodo de prueba.
6.6.- Instalaciones con protección contra descarga de rayo. Se recomienda que el examen se realice confrontando con una norma relativa al tema. Incluye una inspección muy rigurosa, para asegurar que la instalación cumple con la reglamentación vigente, y la prueba de resistencia a tierra del electrodo. Esto significa previamente aislar el electrodo de los conductores de bajada del sistema de protección contra rayos. Existen instrumentos de medida de impedancia del tipo tenaza que no requieren desconectar el electrodo. El valor medido de resistencia a tierra del electrodo debe compararse con el valor de diseño, o aquél obtenido durante la prueba anterior. 6.7.- Subestaciones de distribución industriales o de la compañía eléctrica. El examen se realiza menos frecuentemente - típicamente una vez cada 5 ó 6 años-. Se recomienda una inspección muy rigurosa, removiendo cubiertas, etc., donde sea apropiado. Particularmente se requiere que el examinador revise que estén de acuerdo a norma las conexiones de todas las partes metálicas normalmente accesibles, estanques de transformadores, de interruptores, puertas de acero, rejas de acero, etc. Las siguientes pruebas se realizan típicamente, con el equipo normalmente en servicio (debe usarse un procedimiento especial para resguardarse de posibles voltajes excesivos que ocurran durante la prueba): • Prueba de conexión entre el electrodo de tierra y partes metálicas normalmente accesibles. • Recorrido del electrodo enterrado y examen de éste en algunos sitios para asegurar que no ha sufrido corrosión. • Se mide la resistencia del electrodo del lado de alta tensión y se compara con valores previos o de diseño. • Se revisa el valor del índice de acidez pH del suelo. • Una prueba de grado de separación, para asegurarse que el electrodo de alta tensión y el electrodo de baja tensión están eléctricamente separados. Esta prueba no se requiere si las condiciones de diseño permiten conectar ambos sistemas de electrodos.
7.- Valores recomendados de Resistencia de Puesta a Tierra APLICACIÓN Estructuras de líneas de transmisión Subestaciones de alta y extra alta tensión Sub estaciones de media tensión Protección contra rayos Aterramientos de tanques con inflamables Equipos electrónicos de romanas (Balanzas) Equipos electrónicos (computadoras, Etc) Equipos electrónicos sensibles Quirófanos Centros de comunicaciones
Valores máximos de resistencia de puesta a tierra 20 1 10 10 5 3 3a5 1 1a3 3
Un buen diseño de puesta a tierra debe reflejarse en el control de las tensiones de paso, de contacto y transferidas; sin embargo, la limitación de las tensiones transferidas principalmente en subestaciones de media y alta tensión es igualmente importante. En razón a que la resistencia de puesta a tierra es un indicador que limita directamente la máxima elevación de potencial y controla las tensiones transferidas, pueden tomarse los siguientes valores máximos de RPT adoptados de las normas técnicas IEC 60364-4-442, ANSI/IEEE 80, NTC 2050, NTC 4552: Cuando por valores altos de resistividad del terreno, de elevadas corrientes de falla a tierra o tiempos de despeje de la misma, o que por un balance técnicoeconómico no resulte práctico obtener los valores de la tabla de valores de resistencia a tierra, siempre se debe garantizar que las tensiones de paso, contacto y transferidas en caso de un falla a tierra no superen las máximas permitidas
8.- DEFINICIONES DE PUESTAS A TIERRA. Las definiciones están establecidas de acuerdo a las normas IEEE Std 81-1983 y ASTM G 57-95 a., siendo las más utilizadas: Sistema de Puesta a Tierra (SPT) (Grounding System): Conjunto de elementos conductores de un sistema eléctrico específico, sin interrupciones ni fusibles, que unen los equipos eléctricos con el suelo o terreno. Comprende la puesta a tierra y todos los elementos puestos a tierra. Suelo: Sistema natural, resultado de procesos físicos, químicos y biológicos, con componentes principalmente minerales y sólidos inertes que le dan estabilidad, en conjunto con líquidos y gases que definen su comportamiento eléctrico. Electrodo de Puesta a Tierra (Grounding Electrode): Conductor en íntimo contacto con el suelo, para proporcionar una conexión eléctrica con el terreno. Puede ser una varilla, tubo, placa, cinta, o cable .
Puesta a tierra (Grounding): Grupo de elementos conductores equipotenciales, en contacto eléctrico con el suelo o una masa metálica de referencia común, que distribuyen las corrientes eléctricas de falla en el suelo o en la masa. Comprende: Electrodos, conexiones y cables enterrados. También se le conoce como toma de tierra o conexión a tierra. Puesto a Tierra (Grounded): Toda conexión intencional o accidental del sistema eléctrico con un elemento considerado como una puesta a tierra. Se aplica a todo equipo o parte de una instalación eléctrica (neutro, centro de estrella de transformadores o generadores, carcazas, incluso una fase para sistemas en delta, entre otros), que posee una conexión intencional o accidental con un elemento considerado como puesta a tierra. Tierra (Ground o Earth): Para sistemas eléctricos, es una expresión que generaliza todo lo referente a sistemas de puesta a tierra. En temas eléctricos se asocia a suelo, terreno, tierra, masa, chasis, carcaza, armazón, estructura o tubería de agua. El término “masa” solo debe utilizarse para aquellos casos en que no es el suelo, como en los aviones, los barcos, los carros y otros. Conductor del Electrodo de Puesta Tierra (Grounding Electrode Conductor): Conductor que es intencionalmente conectado a una puesta a tierra, sólidamente para distribuir la tierra a diferentes sitios de una instalación. Resistividad del Suelo: Representa la resistencia específica del suelo a cierta profundidad, o de un estrato del suelo; se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo; su magnitud se expresa en (Ohm-m) o (Ohm-cm), es inversa a la conductividad. La resistividad eléctrica ( ρ): Es la relación entre la diferencia de potencial en un material y la densidad de corriente que resulta en el mismo. Es la resistencia específica de una sustancia. Numéricamente es la resistencia ofrecida por un cubo de 1m x 1m x 1m, medida entre dos caras opuestas. Resistividad Aparente: Es la resistividad obtenida con una medida directa en el suelo natural, bajo el esquema geométrico especificado por el método de cuatro (4) electrodos, aplicado con circuitos independientes de corriente y potencial, sólo es representativo para un punto de la característica del suelo estratificado. Resistencia Mutua de Electrodos: Fenómeno resistivo que aparece entre electrodos de puesta a tierra o puntos próximos en el suelo, mediante el cual, la corriente que se dispersa a través de uno de ellos, modifica el potencial del otro. Su unidad es el (Ohm). Potencial Eléctrico: Es la diferencia de voltaje entre un punto y alguna superficie equipotencial que generalmente es la superficie del suelo, la cual es seleccionada arbitrariamente como de potencial cero o tierra remota. Un punto el cual tiene un potencial más alto que el cero se llama potencial positivo y en caso contrario potencial negativo. Tierra Remota: También denominada Tierra de Referencia, es el lugar o la zona de mínima resistencia, más próxima del suelo subyacente a una instalación eléctrica o a una puesta a tierra, respecto de las cuales se le atribuye por convención el Potencial cero. Acero inoxidable martensítico. Aceros al cromo (11.5% a 18%) con alto contenido de carbón (0.15% a 1.2%). Presentan elevada dureza y resistencia mecánica, se endurecen por tratamiento térmico y son magnéticos.
Acero inoxidable Austenístico. Aceros al cromo-níquel (16% a 30% Cr y 6% a 22% Ni) con bajo contenido de carbón (0.20% máximo). Presentan elevada resistencia a la corrosión, ductilidad y gran facilidad de limpieza; se endurecen por trabajo en frío y no son magnéticos. Además, la puesta a tierra se define como un sistema conectado intencionalmente a tierra a través de una conexión de baja impedancia, con capacidad para transportar y limitar cualquier voltaje elevado que pueda resultar de las descargas atmosféricas (Rayos), fenómenos de inducción (Interferencia) electromagnéticas o de radiofrecuencias (EMI/RFI), de contactos no intencionales con cables de voltaje mas altos que atenten contra la seguridad de las personas, equipos e instalaciones. Entre las características mas resaltantes que se pueden destacar en un sistema de puesta a tierra están: • Reducir la posibilidad del “SHOCK” eléctrico a personas. • Proveer un plano equipotencial, de referencia a tierra para la adecuada operación de los equipos. • Garantizar la actuación idónea de las protecciones eléctricas: Interruptores, acondicionadores de línea, estabilizadores UPS ON LINE, monitoreadores de redes AC/DC, supresores de sobretensiones (arresters), entre otros. • Reducir el ruido eléctrico al establecerse rutas de baja impedancia ente las estructuras y tierra. • Evitar la contaminación de las redes de comunicación con señales (parásitas) con frecuencias diferentes a la deseada. • Proveer de un grado de estabilidad durante la vida útil de los equipos en la edificación. • Proteger de los riesgos de daños e incendios al conducir las energías provenientes de las cargas: Atmosféricas (Rayos), Potencia (Cortocircuito), Electrostáticas, directamente a tierra. También, se entiende por puesta a tierra la unión eléctrica de un equipo o componente de un sistema eléctrico a la tierra por medio de dispositivos conductores de electricidad adecuados. El termino normalizado para designar la resistencia ofrecida al paso de una corriente eléctrica para el suelo a través de una puesta a tierra es “Resistencia de Puesta a Tierra”. Una puesta a tierra presenta resistencia, capacitancia e inductancia, cada cual influyendo en la capacidad de conducción de corriente por la tierra. Por lo tanto, no se debe pensar solamente en una resistencia de puesta a tierra, sino más bien en una impedancia. Para bajas frecuencias, bajas corrientes y valores de resistividad del suelo no muy elevados, son despreciables los efectos capacitivos y de ionización del suelo y el mismo se comporta prácticamente como una resistencia. En el caso de altas frecuencias, es necesario considerar también el efecto capacitivo, principalmente en suelos de altas resistividades. Las ondas tipo rayo sufren la oposición de la reactancia inductiva de las conexiones al penetrar el suelo. Según norma establecidas por el Código Eléctrico nacional, correspondiente a puestas de tierra, se establecen las tomas de tierra con objeto de:
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Limitar la tensión que con respecto a tierra puedan presentar las masas metálicas en un momento dado. Asegurar la actuación de las protecciones. Eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en el material eléctrico utilizado.
Alrededor del electrodo de puesta a tierra, la resistencia del suelo es la suma de las resistencias serie de las celdas o capas concéntricas circundantes del suelo, localizadas progresivamente hacia fuera del electrodo. A medida que aumenta la distancia, las capas del suelo presentan una mayor área transversal a la corriente y por tanto una menor resistencia. Se sigue entonces que la resistencia de puesta a tierra reside esencialmente en las capas de suelo más próximas al electrodo. Normalmente para una varilla de 2.4 metros, el 90% del valor de la resistencia de puesta a tierra se encuentra dentro de un radio de 3.0 metros.
