CONCEPTOS GENERALES DE PUESTA A TIERRA-JUVENCIO MOLINA.pdf

A CONCEPTOS GENERALES DE PUESTA A TIERRA

Autor: Ing. Juvencio Molina A.

R ev 1 1; E Enero 2 2007

GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A R A CONTENIDO INTRODUCCIÓN A.

5

MÓDULO 1.- PUESTA A TIERRA Y DEFINICIONES....................... ................................................12 Objetivos.....................................................................................................................................12

A.1. A.1.a.

Razones para conectar a tierra los Sistemas de Alimentación y Circuitos .........................................12 Propósito y Tipos de Sistemas de Puesta a Tierra ................................................ ..............................13

A.2. A.2.a. A.2.b.

DEFINICIONES ...................................................... ............................................................................................................. ............................................................................19 .....................19 Tierra Física .................................................. ........................................................ ......................................................................................19 ..............................19 Sistemas de Tierra................................................................................................................................19

A.1.b. A.1.c.

Filosofía de las normas Conexión a Tierra de Equipos, Sistemas de Alimentación Alimentación Eléctrica y Circuitos Circuitos

14 18

Tierra de Protección Contra Rayos ..................................................... ............................................................................................21 .......................................21 Tierra del Equipo ó Tierra Tierra de Seguridad............................................. Seguridad....................................................................................23 .......................................23 Conductor Conectado a Tierra .................................................... ....................................................................................................23 ................................................23 Tierra Aislada..............................................................................................................................24 Tierra de Referencia de Señal.....................................................................................................25

A.2.c. A.2.d. A.2.e. A.2.f. A.2.g. A.2.h. B. B.1. B.2. B.2.a. B.2.b. B.2.c. B.2.d. B.3. C.

Conexión a Tierra (Ground)................................................................................................................26 Electrodo de Tierra ( Ground Electrode) ..................................................... ............................................................................................27 .......................................27 Corriente de Tierra ( Ground Current) ........................................................ ...............................................................................................27 .......................................27 Malla de Tierra ( Ground Grid) ................................................ ........................................................ ..........................................................27 ..27 Lazo de Tierra ( Ground Loop) ................................................. ........................................................ ..........................................................27 ..27 Sistema de Tierra ( Grounding System)...............................................................................................27 MÓDULO 2.- TEORÍA BÁSICA APLICABLE A LA PUESTA A TIERRA ..........................................28 Objetivo: ............................................... ........................................................ ...............................................................................................28 .......................................28 Ley de Ohm .................................................... ............................................................................................................ ......................................................................................28 ..............................28 Resistencia Pura: ..................................................... ............................................................................................................ ............................................................................28 .....................28 Inductancia - Reactancia Inductiva ..................................................... .....................................................................................................28 ................................................28 Capacitancia - Reactancia Capacitiva ........................................................ ...............................................................................................29 .......................................29 Impedancia................ ........................................................ ................................................................................................................ ...................................................................30 ...........30 Potencia Eléctrica................................................................................................................................31 MÓDULO 3.- SEGURIDAD INDUSTRIAL ................................................. .......................................32

C.1. C.2. C.3. D.

La Severidad de una Descarga Eléctrica ..................................................... ............................................................................................32 .......................................32 Puesta a Tierra y Descarga Eléctrica Eléctrica ................................................. ................................................35 Prevención de la Descarga Eléctrica – ( Conexión a Tierra de Seguridad )......................................36 MÓDULO 4.- SISTEMA de ELECTRODO de TIERRA ................................................. .....................38

D.1. D.2. D.2.a. D.2.b. D.2.c. D.2.d.

Que es Conexión a Tierra ..???...........................................................................................................38 Tipos de Electrodos de Tierra..............................................................................................................40 Tubería metálica de agua Instalada bajo Tierra.................................................................................40 Estructura Metálica del edificio ................................................ ........................................................ ..........................................................40 ..40 Electrodo incrustado en Concreto.......................................................................................................40 Anillo de Tierra........................................................ Tierra ............................................................................................................... ............................................................................40 .....................40

Objetivos:

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Objetivos:

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A R A D.2.e. D.2.f. D.2.g.

Sistemas metálicos subterráneos u otras estructuras enterradas como Sistemas de tuberías o tanques.................................................................................................................................................40 Electrodos de Barras, tubos o Varillas................................................................................................40 Electrodos de Placa Metálica..............................................................................................................40 Electrodo: Tubería metálica de Agua Instalada bajo Tierra

40

Electrodo: Anillo de Tierra

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D.3. D.4. D.5. E.

Funciones del Electrodo de Tierra ...................................................... ......................................................................................................45 ................................................45 La Varilla de Tierra ................................................. ....................................................... ............................................................................46 .....................46 Unión de los Electrodos de Tierra.......................................................................................................48 MÓDULO 5.- CONDUCTOR del ELECTRODO de TIERRA.................................................. TIERRA .................................................. ...........50

E.1. E.2.

Requerimientos del sistema de puesta a tierra ...................................................... ....................................................................................50 ..............................50 Conductores de conexión y conductores de protección.......................................................................50

Objetivos

50

Conductor de protección de circuito...........................................................................................50 Conductores de conexión............................................................................................................51

E.3. E.3.a. E.3.b. E.3.c. E.3.d. E.4. E.4.a.

Tipos de Electrodos de Tierra ( Configuración)..................................................................................52 Barras ................................................... ........................................................ ...............................................................................................53 .......................................53 Placas...................................................................................................................................................54 Electrodos Horizontales.......................................................................................................................54 Electrodos Secundarios .................................................... ............................................................................................................ ...................................................................55 ...........55 Métodos de Instalación de Electrodos de Tierra Tierr a ................................................... ..............................59 Barras ................................................... ........................................................ ...............................................................................................59 .......................................59 Instalación de Barras Acopladas Mecánicamente.......................................................................60 Características de los Materiales de la Barra ................................................ ..............................61

E.4.b. E.4.c. E.5. E.6.

Planchas...............................................................................................................................................62 Electrodos Horizontales.......................................................................................................................63 Relleno del Electrodo de Tierra.......................................................... Tierra.. ........................................................................................................63 ................................................63 Conexión de Conductores que Conforman el Electrodo de Tierra .................................................. ..64 Conexiones Mecánicas................................................................................................................64 Conexiones Exotérmicas.............................................................................................................67 Conexiones Soldadas en Forma Autógena ................................................... ..............................69

F.

MÓDULO 6.- PUESTA a TIERRA del CIRCUITO ............................................... ..............................70

F.1. F.2. F.3. F.3.a. F.3.a.1 F.3.a.1 F.3.b. F.3.b.1 F.3.b.1.1.1. G. G.1. G.1.a. G.1.a.1

Por Que se Conectan a Tierra los Circuitos y Sistemas de Alimentación Eléctrica...........................70 Conductor Conectado a Tierra............................................................................................................71 Métodos de Puesta a Tierra ....................................................... ............................................................................................................... ..........................................................73 ..73 Redes de Potencia .................................................... ........................................................................................................... ............................................................................73 .....................73 Sistema Conectado a Tierra Mediante Impedancia.............................................................................75 Sistema Conectado Sólidamente a Tierra............................................................................................76 Puesta a Tierra de Sistemas de Bajo Voltaje.......................................................................................77 Sistemas DC.........................................................................................................................................78 Sistemas AC ................................................... ........................................................ ......................................................................................79 ..............................79 MÓDULO 6.- COMPORTAMIENTO de ELECTRODOS de TIERRA ................................................86 Efecto de la Forma, Tamaño y Posición del Electrodo.......................................................................87 Influencia del Suelo sobre las Características del Electrodo................................ Electrod o................................ ..............................87 Método de los Cuatro (4) Puntos ............................................... ........................................................ ..........................................................89 ..89

Objetivos:


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A G.1.a.1.1.1. Electrodos con Espaciamiento Equidistante ó Método de Wenner.....................................................89 G.1.a.1.1.2. Electrodos con Espaciamiento Desigual ó Método de Schlumberger - Palmer..................................90 H. MÓDULO 7.- FALLAS a TIERRA ......................................................................................................93 H.1. Objetivos. .............................................................................................................................................93 H.2. Fallas a Tierra.....................................................................................................................................93 H.3. Efectos de las Fallas a Tierra..............................................................................................................95 H.3.a. Ionización.............................................................................................................................................96 H.4. Fallas en Sistemas Conectados a Tierra .............................................................................................97 H.5. Fallas en Sistemas Aislados de Tierra..............................................................................................100 I. MÓDULO 8.- PUESTA a TIERRA de EQUIPOS SENSIBLES .......................................................101 I.1. Objetivos ............................................... .............................................................................................101 I.2. PUESTA a TIERRA de SALAS de COMPUTADORAS......................................... ............................101 I.2.a. Características de la Energía Disponible..........................................................................................101 I.2.b. Tierra de Referencia Cero del Sistema..............................................................................................102 I.2.c. Conexión a Tierra para la Operación Confiable de las Computadoras y otros Sistemas Sensibles 104 I.2.d. Plano de Tierra ó Red de Referencia de Señales...............................................................................109 J. MÓDULO 9.- DISEÑO BÁSICO de una RED de TIERRA ..............................................................113 J.1. Objetivos ............................................... .............................................................................................113 J.2. Elementos del Diseño.........................................................................................................................113 J.2.a. Aplicación del SPT.............................................................................................................................114 J.2.b. Características Conductivas del Suelo..............................................................................................116 J.2.c. Requerimientos de Seguridad y protección de la integridad física de las personas .........................120 J.3. Medición de Sistemas de Puesta a Tierra ..........................................................................................122 J.3.a. Métodos de Medición de Sistemas de Puesta a Tierra ................................................... ...................123 J.3.a.1 Medición de SPT mediante Método de Caída de Potencial ..............................................................123


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A INTRODUCCIÓN El tema conexión a tierra es difícil, no por los conceptos intrínsecos de la materia, sino principalmente debido a la interpretación errónea y a la gran cantidad de términos usados en libros, artículos técnicos y otras publicaciones sobre el tema. Se habla de: tierra, masa, tierra física, tierra del circuito, conductor de tierra, conductor de conexión a tierra, conductor del electrodo de tierra, conductor conectado a tierra, tierra de seguridad, tierra de protección, tierra del equipo, tierra aislada, tierra separada, tierra dedicada, tierra del sistema, tierra de señal, tierra de referencia de señal,... y otros tantos vocablos que a través de los años han inventado las industrias electrónica y de computadoras. Esta confusión también la crean manuales, estándares y especificaciones, algunas veces escritos por ingenieros especializados en señal y otras veces por ingenieros de potencia, quienes no siempre están de acuerdo en cuanto a la percepción y solución de estos nuevos problemas. Las especificaciones y directrices de instalación para la industria electrónica, especialmente las de los fabricantes de equipos electrónicos y computadoras, han agravado el problema ya que muchas, creadas por grandes empresas en Estados Unidos, han sido escritas por ingenieros, quienes nunca han leído el Código Eléctrico Nacional (NEC). Sólo en los últimos cinco años se ha dado gran importancia al sistema de conexión a tierra debido a la proliferación de equipos electrónicos sensibles, quieren una tierra libre de ruidos eléctricos. La mayor parte de nuestros países se encuentran expuestos a una alta incidencia de tormentas eléctricas, por lo que sufren continuamente daños en sus modernos equipos electrónicos debido a sus prácticas erradas de conexión a tierra. – Se puede garantizar por completo que si un sistema de puesta a tierra esta mal concebido , es deficiente o esta mal instalado, los equipos electrónicos sufrirán daños irreparables si se presenta una descarga atmosférica.También se puede garantizar en forma absoluta que el Código eléctrico es un libro muy difícil de leer y se presta a interpretaciones erróneas. Parte de la confusión sobre el sistema de tierra se basa en mitos e información incorrecta que circula en artículos, libros y otras publicaciones. Se ha comparado el sistema a tierra con una red recolectora de aguas negras, donde los conductores de tierra son las cañerías que drenan todas las perturbaciones y ruidos eléctricos a tierra. Esto es cierto para las perturbaciones causadas o inducidas por rayos, donde el electrodo de tierra es una de las terminales de la trayectoria de la energía del rayo a tierra. Otro mito es el de tierra aislada. Los fabricantes de equipos electrónicos usualmente exigen una tierra aislada o separada, y malinterpretando el verdadero significado del Código sólo proveen una terminal para las dos tierras: la tierra de seguridad y tierra aislada , y como consecuencia se pierde la Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A utilidad de la tierra aislada. La función de la tierra aislada es la de proporcionar una referencia cero, libre de ruido para los circuitos electrónicos. También con regularidad los fabricantes de equipos electrónicos exigen que no se conecte el nuevo equipo electrónico, a la supuesta tierra sucia, llena de ruidos, del sistema de alimentación del edificio o de la planta. Este mito es responsable de las instalaciones peligrosas para el personal y el equipo, además de múltiples violaciones del Código Eléctrico y costos adicionales causados por la instalación de nuevos electrodos y conductores de gran calibre. Es bien sabido que la mayoría de los sistemas eléctricos necesitan ser conectados a tierra y que esta práctica probablemente se inició en los primeros días de los experimentos eléctricos. Entonces, como ahora, la estática se descargaba por conexión a una placa que estaba en contacto con la masa general de la tierra. La práctica ha continuado y se ha desarrollado progresivamente, de modo que tales conexiones a tierra se encuentran en casi todos los puntos en el sistema eléctrico. Esto incluye la estación generadora, las líneas y los cables que distribuyen la energía eléctrica y los locales en los cuales se utiliza. La necesidad de esta conexión se considera sagrada en la legislación. Por ejemplo en el Reino Unido, la Electricity Supply Regulations 1988, cláusula 5 (1), exige que todos los sistemas (es decir Generación, Transmisión y Distribución) sean puestos a tierra en un punto. Esto no se extiende efectivamente a la instalación en el interior de locales y si bien es aún la medida más común aterrizar tales instalaciones, la norma (por ejemplo BS 7671:1992, Amendment 1, 1994, Requirements for Electrical Installations) acepta ciertas disposiciones no aterrizadas. Aún cuando la puesta a tierra constituye una parte intrínseca del sistema eléctrico, permanece en general como un tema mal comprendido y a menudo se refiere a él como un «arte oscuro»- algunas veces incluso por bien calificados ingenieros. En los años recientes ha habido rápidos desarrollos en el modelamiento de sistemas de puesta a tierra, tanto a frecuencia de potencia como superiores, principalmente facilitados por los nuevos recursos y procedimientos computacionales. Esto ha incrementado nuestra comprensión del tema, al mismo tiempo que la actividad de diseño ha llegado a ser significativamente más difícil y las nuevas normas están requiriendo un diseño seguro y más detallado. Surge así una oportunidad para explicar más claramente los conceptos de puesta a tierra y una necesidad que esto se traspase a los diseñadores de sistemas de puesta a tierra y a los instaladores, de modo que pueda lograrse una mayor comprensión del tema. Por puesta a tierra generalmente entendemos una conexión eléctrica a la masa general de la tierra, siendo esta última un volumen de suelo, roca etc., cuyas dimensiones son muy grandes en comparación al tamaño del sistema eléctrico que está siendo considerado. Antes de exponer definiciones, es importante notar que en Europa se tiende a usar el término «earthing», mientras que en Norte América es más común el término «grounding». La definición de la IEEE de puesta a tierra es: Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A «Tierra (sistema de tierra). Una conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por medio de la cual un circuito eléctrico o equipo se conecta a la tierra o a algún cuerpo conductor de dimensión relativamente grande que cumple la función de la tierra». Para uso dentro de Europa, el significado permanece si los términos generalmente aceptados se reemplazan como sigue: «Tierra (sistema de tierra). Una conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por medio de la cual un circuito eléctrico o equipo se conecta a la masa de la tierra o a algún cuerpo conductor de dimensiones relativamente grandes que cumple la misma función que la masa de la tierra». Como se describirá posteriormente, es posible operar un sistema eléctrico sin una tierra, entonces ¿por qué es tan común la práctica de poner a tierra los sistemas eléctricos? Las razones que más frecuentemente se citan para tener un sistema aterrizado, son: • Proporcionar una impedancia suficientemente baja para facilitar la operación satisfactoria de las protecciones en condiciones de falla. • Asegurar que seres vivos presentes en la vecindad de las subestaciones no queden expuestos a potenciales inseguros, en régimen permanente o en condiciones de falla. • Mantener los voltajes del sistema dentro de límites razonables bajo condiciones de falla (tales como descarga atmosférica, ondas de maniobra o contacto inadvertido con sistemas de voltaje mayor), y asegurar que no se excedan los voltajes de ruptura dieléctrica de los sistemas aislantes. • Hábito y práctica. • En transformadores de potencia puede usarse aislamiento graduado o en condición reducida. • Limitar el voltaje a tierra sobre materiales conductivos que circundan conductores o equipos eléctricos. Otras razones citadas menos frecuentemente, incluyen: • Estabilizar los voltajes fase a tierra en líneas eléctricas bajo condiciones de régimen permanente, por ejemplo, disipando cargas electrostáticas que se han generado debido a nubes, polvo, agua, nieve, etc. • Una forma de monitorear la condición del aislamiento del sistema de suministro de potencia. Para eliminar fallas a tierra con arco eléctrico persistente. • Para asegurar que una falla que se desarrolla entre los enrollados de alto y bajo voltaje de un transformador pueda ser manejada por la protección primaria. Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A • Proporcionar una trayectoria alternativa para las corrientes inducidas y de tal modo minimizar el «ruido» eléctrico en cables. • Proporcionar una plataforma equipotencial sobre la cual pueda operar equipo electrónico. Para desempeñarse adecuadamente cumpliendo cualquiera de las funciones anteriores, el sistema de tierra debe generalmente tener una baja impedancia, de modo que ya sea dispersando o recogiendo corriente desde el terreno, no se produzca un aumento de voltaje excesivo. Por supuesto en el interior de instalaciones es también necesaria una conexión a tierra, para asegurar la correcta operación del equipo por ejemplo dispositivos electrónicos, donde puede ser necesaria una pantalla a tierra. Es esencial considerar la puesta a tierra en una instalación global como un sistema completo y, por lo tanto, diseñarla e instalarla correspondientemente. La puesta a tierra de instalaciones eléctricas está relacionada en primer lugar con la seguridad. El sistema de puesta a tierra se diseña normalmente para cumplir dos funciones de seguridad. La primera es establecer conexiones equipotenciales. Toda estructura metálica conductiva expuesta que puede ser tocada por una persona, se conecta a través de conductores de conexión eléctrica. La mayoría de los equipos eléctricos se aloja en el interior de cubiertas metálicas y si un conductor energizado llega a entrar en contacto con éstas, la cubierta también quedará temporalmente energizada. La conexión eléctrica es para asegurar que, si tal falla ocurriese, entonces el potencial sobre todas las estructuras metálicas conductivas expuestas sea virtualmente el mismo. En otras palabras, la conexión eléctrica iguala el potencial en el interior del local, de modo que las diferencias de potencial resultantes son mínimas. De este modo, se crea una «plataforma» equipotencial. Si una persona está en contacto simultáneamente con dos piezas diferentes de una estructura metálica expuesta, el conductor de conexión eléctrica deberá garantizar que la persona no reciba un choque eléctrico, haciendo que la diferencia de potencial entre los equipos sea insuficiente para que esto ocurra. El mismo principio se aplica en el interior de grandes subestaciones eléctricas, industrias y casas. En industrias, la conexión eléctrica de estructuras metálicas expuestas garantizará normalmente que una falla eléctrica a la carcasa de la máquina no generará una diferencia de potencial entre ella y la estructura metálica puesta a tierra en una máquina adyacente. En la casa, la conexión eléctrica garantiza que si ocurriese una falla a la cubierta metálica de una máquina lavadora u otro electrodoméstico, cualquier persona que estuviese tocando en el momento de falla simultáneamente uno de estos equipos y el estanque metálico, no experimentaría un choque eléctrico. La segunda función de un sistema de puesta a tierra es garantizar que, en el evento de una falla a tierra, toda corriente de falla que se origine, pueda retornar a la fuente de una forma controlada. Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Por una forma controlada se entiende que la trayectoria de retorno está predeterminada, de tal modo que no ocurra daño al equipo o lesión a las personas. La conexión a tierra no es de capacidad infinita e impedancia nula. Sin embargo, la impedancia del sistema de tierra deberá ser de un valor bajo de modo que pueda fluir suficiente corriente de falla a tierra para que operen correctamente los dispositivos de protección, los cuales a su vez provocarán la operación de interruptores o fusibles para interrumpir el flujo de corriente. El diseñador de la protección calcula normalmente el valor requerido de impedancia a través de programas de análisis de fallas y este valor debe comunicarse a los responsables del diseño del sistema de puesta a tierra. Además, la elevación de potencial que experimentará el sistema de puesta a tierra mientras ocurre la falla, debiera ser limitada a un valor pre-establecido. Estas son las funciones que el sistema de puesta a tierra debe cumplir, pero se requiere que se adapten a una amplia variedad de problemas diferentes. El primero es una falla convencional, es decir, la aparición de un deterioro en un cable o la ruptura eléctrica del aislamiento fase a tierra en una parte de un equipo. El equipo puede estar en una subestación, una industria o la casa. Llamamos a ésta una falla de «frecuencia industrial», ya que la mayor parte de la energía disipada en la falla será a ésta frecuencia (50/60 hz.). En algunas instalaciones, tales como estaciones transmisoras de radio o televisión, locales donde se rectifica grandes cantidades de potencia o donde se opera bancos de condensadores, la energía estará disponible a frecuencias mayores que la normal. El sistema de puesta a tierra debe diseñarse especialmente para proporcionar una baja impedancia a estas frecuencias. Muchas instalaciones eléctricas están propensas al riesgo de daño como resultado del impacto de un rayo y se requiere de arreglos especiales para reducir el riesgo involucrado. Un sistema de tierra adecuado es fundamental para esta providencia. Debido a que un impulso de rayo tiene una pendiente de subida escarpada y es una fuente de corrientes de alta frecuencia, nuevamente son necesarios diseños especiales de sistemas de tierra. Por ejemplo, las curvas en los conductores de tierra forman una pequeña inductancia, la cual es insignificante a la frecuencia de potencia, pero puede crear una alta impedancia a la corriente de rayo. Esto puede ser suficiente para que ocurra una descarga de retorno (flashover) y la corriente prefiera fluir a tierra por otros caminos diferentes de la ruta diseñada posiblemente causando un daño significativo en el proceso. El sistema de puesta a tierra se usa también como un medio para obtener condiciones seguras de trabajo durante algunas faenas de mantenimiento o construcción. Antes de iniciar cualquier trabajo, las plantas que estaban energizadas tienen que ser desconectadas y sus componentes previamente activos tienen que ser conectados a tierra. Con ello se permite que cualquier energía almacenada sea descargada en forma segura a tierra y ayuda a prevenir la aparición de voltajes peligrosos en el equipo en que se está trabajando Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A (esto podría ocurrir de otra manera debido a inducción, error o falla en el sistema de potencia). En algunas instalaciones industriales, el sistema de puesta a tierra se solicita para descargar continuamente la formación de estática, y así prevenir un riesgo de fuego o explosión. Como ejemplos están las plantas manufactureras de papel o ambientes donde están presentes explosivos o elementos químicos volátiles. Una concepción errada muy popular es que el sistema de puesta a tierra opera sólo durante condiciones de falla. En realidad, también durante la operación rutinaria cumple ciertos roles vitales. Por ejemplo, muchas alimentaciones de potencia incluyen ahora una conexión a tierra, a través de la cual se dispersan al terreno corrientes residuales y corrientes armónicas. La creencia sostenida previamente de que estas corrientes podían ser conducidas a tierra sin consecuencias adversas, se reconoce ahora como falsa. Las corrientes que fluyen a tierra, de alguna manera deben retornar a la fuente, formando un bucle cerrado. Estos bucles crearán diferencias de potencial que, aunque pequeñas, causan ruido, zumbido, y posibles daños a equipo electrónico. Este proceso, junto con la creciente cantidad de corrientes armónicas que se inyecta en la red de alimentación pública, es una causa que genera crecientes problemas en la calidad de la potencia. Algunos equipos disponen de pantallas puestas a tierra que operan continuamente para reducir el campo producido fuera de su gabinete o para reducir el impacto de campos generados por la propia operación del equipo. En los años recientes, varios factores han hecho poner atención en los sistemas de puesta a tierra. Uno es el creciente empleo de cables subterráneos con pantalla plástica, otro el uso de tuberías de agua plásticas. Las tuberías de agua plásticas han tenido un impacto particular en el caso de instalaciones residenciales, afectando las instalaciones de puesta a tierra proporcionadas por las antiguas tuberías metálicas. Se usan ahora cables con pantalla plástica, en lugar de los anteriores tipos que tenían una pantalla de plomo y armadura de acero, en contacto directo con el suelo. Esto ha tenido un efecto perjudicial en la eficiencia total de los sistemas de puesta a tierra y ha impuesto más responsabilidad en los restantes componentes del sistema de puesta a tierra, incluyendo los electrodos de tierra instalados en todas las subestaciones eléctricas. Ahora es más importante que antes asegurar que el sistema de electrodos esté correctamente diseñado, instalado y mantenido. Claramente, el sistema de puesta a tierra realiza un amplio rango de funciones similares a través de todas las etapas de suministro de electricidad, es decir, en la central generadora, en las subestaciones eléctricas (en las cuales se modifica el voltaje de alimentación), hasta la instalación eléctrica residencial, oficinas e industrias. El cobre es el material más ampliamente utilizado para estos sistemas de puesta a tierra. Sus propiedades muy bien probadas y ensayadas, de relativamente baja resistencia eléctrica, maleabilidad y buena resistencia a la corrosión, aseguran que es y será el material preferido por muchos años. Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Por otro lado, las características globales de los intercambios comerciales trae como consecuencia la aplicación de equipos eléctricos fabricados en países distintos y con ello surge la necesidad de hacer armónicos y el conocimiento de las normas, códigos y reglamentos. Desde el punto de vista legal el uso de códigos y normativas prevalece en la aplicación de la ley durante investigaciones de fallas o accidentes orientadas a la determinación de responsabilidades de carácter legal, así como para la determinación de la alícuota de seguros de instalaciones y para establecer indemnización que cubran daños a personas o equipos originadas por fallas o accidentes ocurridos en una instalación cubierta por pólizas de seguros.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A A. MÓDULO 1.- PUESTA A TIERRA Y DEFINICIONE S Objetivos Después de estudiar este Módulo , el lector entenderá:  Cómo organiza el Código el artículo 250 o "Puesta a Tierra".  Cómo identificar la terminología; por ejemplo: tierra de seguridad, tierra aislada, etcétera.  La definición de los términos específicos usados en la materia de puesta a tierra  Por qué se aterrizan los sistemas y los circuitos  Por qué los materiales conductivos son puestos a tierra A.1.

Razones para conectar a tierra los Sistemas de Alimentación y Circuitos

En Venezuela el Código Eléctrico Nacional – Norma COVENIN 200 – es el marco legal en términos de puesta a tierra. Su origen es la norma NFPA 70 – NEC- de los EEUU y su contexto actual la norma venezolana COVENIN 200 , año 1999 es harmónica con la norma NFPA 70 , año 1996. La sección 90.1 de la norma COVENIN 200 – CEN , año 1999 - establece : a) El propósito de este Código es la salvaguarda real de las personas y propiedades de los peligros que implica el uso de la electricidad. Basado en lo anterior se puede establecer que las razones por las cuales sistemas y circuitos son puestos a tierra se sintetizan en dos :  

Protección de personal Protección de equipo

Es un malentendido pensar que la puesta a tierra sólo tiene el propósito de mantener todos los equipos y cubiertas metálicas a un plano equipotencial para proteger al personal de un choque eléctrico. El código hace énfasis en la seguridad a las personas, así por ejemplo en los sistemas antiguos los cuales no disponen de conector de tierra o en sistemas en los cuales exista el peligro de una descarga eléctrica, como en baños, la norma exige el uso de un interruptor de circuito de falla de tierra (GFCI). Mediante este dispositivo una falla puede ser limitada o eliminada en 6 mseg y en cuanto la falla sea despejada el peligro deja de existir. Es imprescindible tener claro que la falla durará o estará presente todo el tiempo que tarden en operar los interruptores de tipo termomagnéticos ó automáticos y los fusibles.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A El uso de cable de tierra, con su baja impedancia y camino metálico de retorno de la corriente, permite facilitar el camino y limitar la corriente de falla pero no impide los daños básicos que la alta corriente causó tales como un incendio o explosión, sin embargo la activación de los sistemas eléctricos de protección impide continúe la circulación de las corrientes de falla y en consecuencia no se puede continuar agravando el daño causado. A.1.a.

Propósito y Tipos de Sistemas de Puesta a Tierra

Para su estudio apropiado se estudiarán los sistemas de tierra según su aplicación. Puesta a Tierra de los Sistemas Eléctricos. El propósito de conectar a tierra los sistemas eléctricos es para limitar cualquier voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o, de contactos no intencionales con cables de voltajes más altos. Se logra uniendo mediante UN CONDUCTOR APROPIADO A LA CORRIENTE DE FALLA A TIERRA TOTAL DEL SISTEMA, una parte del sistema eléctrico al planeta tierra. Puesta a Tierra de los Equipos Eléctricos. Su propósito es eliminar los potenciales de toque que pudieran poner en peligro la vida y las propiedades y para que operen las protecciones por Sobrecorriente de los equipos.Se logra conectando al punto de conexión del sistema eléctrico con el planeta tierra, todas las partes metálicas que pueden llegar a energizarse, mediante CONDUCTOR APROPIADO A LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO DEL PROPIO SISTEMA EN EL PUNTO EN CUESTIÓN. Puesta a Tierra en Señales Electrónicas. Para evitar la contaminación con señales en FRECUENCIAS diferentes a la deseada. Se logra mediante blindajes de todo tipo conectados a una referencia cero, que puede ser el planeta tierra. Puesta a Tierra de Protección Electrónica. Para evitar la destrucción de los elementos semiconductores por VOLTAJE, se colocan dispositivos de protección conectados entre los conductores activos y la referencia cero, que puede ser el planeta tierra. Puesta a Tierra de Protección Atmosférica.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Sirve para canalizar la ENERGÍA de los rayos a tierra sin mayores daños a personas y propiedades. Puesta a Tierra de Protección Electrostática.

Sirve para neutralizar las CARGAS ELECTROSTÁTICAS producidas en los materiales dieléctricos. Se logra uniendo todas las partes metálicas y dieléctricas, utilizando el planeta tierra como referencia de voltaje cero.

A.1.b.

Filosofía de las normas

Como regla general, las normas proporcionan los limites de diseño que deben satisfacerse y (conjuntamente con los reglamentos de práctica), explican cómo pueden diseñarse los sistemas de puesta a tierra para ajustarse a ellos. Las normas generalmente incluyen formulaciones para realizar los cálculos necesarios o una guía detallada sobre aspectos prácticos - por ejemplo, cómo conectar partes de un equipo o dónde ubicar los electrodos. Originalmente, se estableció la práctica de diseñar los sistemas de puesta a tierra para obtener un cierto valor de impedancia y los electrodos principales se ubicaban usualmente cerca del equipo donde se esperaba que ocurriera la corriente de falla (por ejemplo, transformadores). El cambio más significativo es que ahora los sistemas de puesta a tierra deben ser diseñados para asegurar que los potenciales en su vecindad durante una falla están bajo los limites apropiados. Cuando ocurre una falla a tierra y la corriente fluye al terreno vía el electrodo de tierra, el potencial del electrodo y de cualquier equipo conectado a él, se elevará sobre el potencial real de tierra. El potencial alcanzado bajo condiciones de falla severa puede ser varios miles de voltios. Como la corriente de falla a tierra fluye en el terreno que rodea al electrodo, el potencial en el suelo y en su superficie se elevará. Desplazándose lejos del sistema de electrodos, hacia un punto remoto, el potencial se reducirá progresivamente, hasta eventualmente llegar al potencial real de la tierra. Esta situación se muestra en la Figura 1, donde se ha ilustrado en tres dimensiones la elevación del potencial en la superficie del suelo, en torno a una barra de tierra única vertical. La figura intenta explicar los potenciales involucrados, en una forma semi-estructural. La Figura 1 muestra que la tasa de reducción del potencial en la superficie del suelo, o gradiente de potencial, es mayor cerca de la barra y se reduce al alejarse a un punto remoto. Imaginemos que una persona está caminando alejándose de la barra en línea recta hacia la tierra remota (de referencia), es decir, bajando la pendiente de potencial tomando pasos igualmente espaciados.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A La diferencia de potencial entre los pies debiera ser mayor cerca de la barra (por ejemplo, en la posición Al, seria la diferencia de potencial entre los puntos A1 y A2) y se reduciría rápidamente con cada paso sucesivo (por ejemplo, es menor en la posición B1, con la diferencia de potencial entre los puntos B1 y B2) hasta anularse a alguna distancia mayor. Este efecto es reconocido en las normas y es la base del concepto de «potencial de paso», que es la diferencia de potencial entre dos puntos sobre la superficie del suelo, separados un metro. La situación descrita para una barra única es similar a aquella definida para todo un sistema de electrodos y el potencial de paso es más alto en el área inmediatamente próxima a los electrodos enterrados en condiciones de suelo uniforme. El potencial de paso es una cantidad direccional y se requiere de un cálculo para encontrar el mayor valor en un radio total de 360 grados.

Figura1.Potenciales de Contacto, de Paso y Transferidos en torno a una barra de tierra.

Se reconoce que el potencial en la superficie del suelo difiere según la posición con respecto al sistema de electrodos. Esto tiene implicancias para el segundo tipo de diferencia de potencial, el «potencial de contacto» ó Voltaje de Toque. Mientras la corriente de falla fluye a través de la impedancia del sistema de puesta a tierra, todos los metales expuestos conectados a éste experimentan un alza de voltaje. Para sistemas pequeños, se supone un mismo valor en todo el armazón metálico y se refiere a él como la «Elevación de Potencial de Malla» (Grid potential Rise). En el ejemplo mostrado en la Figura 1, esta elevación de potencial de malla es aproximadamente 420 V. El potencial en un punto sobre la superficie del suelo será inferior a este valor, en una cantidad que depende de la profundidad de enterramiento del electrodo y de su separación Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A horizontal. Si una persona está en contacto con el armazón metálico expuesto y está parada sobre el suelo, entonces sus manos estarán al mismo potencial que el electrodo mientras que sus pies estarán a un potencial menor. Esta diferencia de potencial será menor si sus pies están directamente sobre la barra enterrada y aumenta si se mueve alejándose. Por ejemplo la Figura 1 muestra que el voltaje de contacto es significativamente mayor en la posición B1 que en la posición A1. El potencial de contacto es normalmente el potencial que dicta el diseño del sistema de electrodos de tierra, en el interior de una subestación abierta (a la intemperie) y será mayor en áreas más alejadas de los electrodos enterrados, donde es aún posible tocar un conductor metálico expuesto. En el Módulo 4 se discute algunos arreglos de electrodos que intentan reducir los voltajes de contacto. Es importante asegurar también, que no se manifieste una diferencia de potencial entre manos, cuando están en contacto simultáneo con diferentes equipos. Finalmente, si llega cerca de la barra un cable aislado que está conectado a la tierra remota o de referencia, la diferencia de potencial entre el cable y la barra se llama el «potencial transferido». El mismo potencial transferido podría presentarse si un cable aislado conectara la barra a un punto remoto, donde estuviera presente un armazón metálico conectado al sistema de electrodos de tierra remota (referencia). El mayor valor de potencial transferido es el potencial del electrodo, que corresponde al valor normalmente utilizado en los cálculos. Actualmente, los límites de potencial transferido están establecidos por la reglamentación de telecomunicaciones en cada país. Estos son 430 V y 650 V en el Reino Unido, por ejemplo, dependiendo del tipo de instalación; sobre estos valores se requieren precauciones adicionales. Que una persona esté expuesta a cualquiera de estos potenciales es un riesgo que depende de diversos factores, incluyendo la elevación de potencial de electrodo. Las normas intentan tomar en cuenta estos factores y establecer límites, bajo los cuales el diseño se considera aceptable. El mayor riesgo de estos potenciales es que ellos sean suficientes para provocar un choque eléctrico que provoque fibrilación ventricular del corazón. Para llegar a los límites actuales fue necesario predecir la proporción de corriente que fluye en la región del corazón y luego establecer limites basados en su magnitud y duración. Se puede usar, por ejemplo, las curvas Cl y C2 de la norma IEC 479-1, 1989 (International Electrotechnical Committee, Effects of Current Passing Through the Human Body). Estas curvas ilustran la corriente que provoca fibrilación ventricular en el ser humano, para diferentes tiempos de duración y para dos niveles de probabilidad. Los limites de diseño se han establecido como voltajes y para llegar a los limites apropiados, es necesario considerar la impedancia a través del cuerpo humano, la resistencia de contacto de la mano, la resistencia del calzado y la resistividad del material superficial bajo el calzado. Todos estos factores se toman en consideración en las normas y Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A se ha incluido la Figura 2 para ilustrar límites típicos suponiendo 100 ohm-metro la resistividad del suelo superficial, una impedancia de 1000 ohms para el ser humano, 4000 ohms de impedancia para el calzado y una resistencia de contacto de 300 ohms. De la Figura 2 es evidente que puede tolerarse un voltaje relativamente alto por cortos períodos de tiempo. Existen actualmente diferencias entre los límites establecidos en diferentes Normas.

Fig. 2 .- Potencial de contacto permitido de acuerdo a EA TS 41-24. Al diseñar el sistema de tierra, el especialista debe usar las fórmulas y técnicas descritas en las normas o reglamentos para lograr un diseño que tenga potenciales de contacto inferiores a los límites aplicables. En Venezuela el diseño de redes de tierra para frecuencia Industrial (60 Hz) se realiza en la generalidad de los casos bajo los principios de la norma ANSI / IEEE Standard 80-2000 IEEE “Guía para Seguridad en Puesta a Tierra de subestaciones AC.”


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A A.1.c. Conexión a Tierra de Equipos, Sistemas de Alimentación Eléctrica y Circuitos

Razones de la Conexión Como se muestra en la figura 3,existen tres razones principales para aterrizar cubiertas metálicas, o los materiales conductores que contienen a los conductores eléctricos o al equipo.

Fig. 3.Elementos de Conexión a Tierra

Las primeras dos razones se encuentran en la sección 250-2(b) del NEC:  

Limitar el voltaje a tierra. Facilitar la operación dispositivos de protección contra sobrecargas y los interruptores del circuito.

Para limitar el voltaje debido a: 1. Rayos 2. Sobrevoltajes Transitorios 3. Contacto accidental con líneas de alto voltaje Y para: 4. Estabilizar el voltaje durante operaciones normales 5. Facilitar la operación de los interruptores del circuito Una vez más, la preocupación es limitar el voltaje y la corriente .


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A La tercera razón, aunque no se especifica en las notas del Código, es drenar a tierra corrientes de fuga o corrientes de descargas electrostáticas. Por ejemplo, es pertinente la conexión a tierra del blindaje d e los cables para atenuar los acoplamientos electromagnéticos y también para drenar las corrientes de fuga y las descargas electrostáticas. El ruido eléctrico es produ cido por los generadores de ruidos y aun los mismos equipos electrónicos, pueden provocar daños, problemas y errores de datos, en el equipo electrónico avanzado. Es importante drenar inmediatamente a tierra estas corrientes estáticas y de fuga para asegurar la operación óptima del equipo electrónico. Las notas del Código enfatizan la importancia de la unión entre la tierra del equipo, o tierra de seguridad, y el conductor conectado a tierra o neutro. Esta unión se efectúa sólo en el tablero principal de distrib ución y puede ser realizado en el puente principal de unión, que está ubicado en el equipo de servicio, pues es el eslabón clave para que se complete la trayectoria de la corriente de falla y se activen los dispositivos de protección (fusibles) e interruptores termomagnéticos. A.2. A.2.a.

DEFINICIONES Tierra Física

La materia de puesta a tierra se presta a una gran confusión debido a la enorme cantidad de artículos técnicos, especificaciones y manuales existentes, los cuales no están siempre de acuerdo entre sí, y a la excesiva terminología sin ningún significado técnico determinado. Muchos de estos términos no están oficialmente definidos en ninguna norma; se prestan a significado ambiguo y la mayoría han sido inventados, a través de los años, por fabricantes de equipos electrónicos. Para empeorar la situación, muchas de las especificaciones aplicables a los equipos electrónicos han sido escritas por ingenieros, quienes nunca han leído el NEC o en Venezuela el CEN. Por esta razón es importante definir los sistemas de tierra con terminología técnica a fin de poder hablar el mismo lenguaje así como determinar y definir el verdadero significado del Código. A.2.b.

Sistemas de Tierra

Los principales sistemas de tierra son los siguientes: Tierra Física La tierra física, también llamado sistema de electrodo de tierra, es la conexión física de un sistema a un electrodo bajo tierra. Ésta es sólo una parte del sistema pues el resto, es decir, la tierra del circuito y la tierra de seguridad o del equipo están arriba de la tierra. Se cree muy a menudo que contener una baja resistencia en el electrodo de tierra se tiene un Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A buen sistema de tierra. Sin embargo, es imperativo considerar el sistema completo de tierra de una instalación eléctrica, con sus tres componentes principales para asegurar un sistema de puesta a tierra efectivo   

Tierra física Tierra del circ uito y Tierra del equipo

o sistema del electrodo de tierra, el cual cubre el sistema del electrodo de tierra y todas las conexiones hechas para efectuar un sistema de puesta a tierra efectivo. El sistema electrodo de tierra o tierra física puede consistir en una varilla, tubería u otro electrodo aprobado por el Código y debe tener un contacto directo con la tierra. En resumen, es un sistema bajo tierra pero relacionado con las partes existentes por encima de la tierra: la tierra de se guridad o del equipo y la tierra del circuito. La tierra del circuito es el conductor conectado a tierra o conductor neutro, el cual tiene la función, en caso de un cortocircuito o falla a tierra, de transportar la corriente de falla cedida por el conductor de tierra del equipo. En el punto neutro-tierra del tablero principal de distribución, el neutro proporciona la trayectoria de baja impedancia, para la corriente de falla, de tal forma que se cierre el circuito, lo que facilita el disparo de los interruptores de circuito. El sistema de tierra de seguridad, o tierra del equipo, interconecta las partes metálicas de los equipos, que usualmente no acarrean corriente, para mantenerlos a una referencia cero o plano equipotencial. En España y en la normativa Europea se le llama "masa" para diferenciarlo de la tierra física. Este sistema previene peligros para las personas, pues en caso de un contacto entre un conductor de fase y la carcasa metálica del equipo, lo mantiene a la misma referencia a tierra. Al no existir diferencia de potencial, no se generan corrientes peligrosas que podrían ser mortales para una persona. En la figura 4 se ilustra la tierra física o sistema de electrodo de tierra. Asimismo, se muestra la conexión del electrodo de tierra con la barra de tierra del tablero principal, por medio del conductor del electrodo de tierra. Este punto neutro-tierra es la única conexión del neutro con la tierra que se permite en un sistema eléctrico de distribución de ca.


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Fig. 4 .- Tierra Física

Tierra de Protección Contra Rayos Es un sistema separado el cual según el Código debe conectarse al sistema de tierra del edificio y a los otros sistemas de tierra existentes en la planta, realizando de manera apropiada las interconexiones entre los subsistemas que conforman la red general de tierra. Este tipo de tierra en los EEUU y en gran parte de Latinoamérica, incluyendo Venezuela lo rige el código de Protección contra rayos , NFPA 780 “Standard for the Installation of Lightning Protection Systems”, año 2000 publicado por la Asociación Nacional de Protección Contra Incendios (NFPA). En Venezuela existe la norma COVENIN 599 “ Código de Protección Contra Rayos” la cual, la versión vigente, esta basada en la norma NFPA- 78 del año 1968. Actualmente está en revisión y actualización la norma COVENIN 599. A nivel internacional se aplica en muchos paises de Europa y otros del mundo la norma IEC – 61074 “ Protection of Structures Against Lightning” La función específica del sistema de tierra asociado a la protección contra rayos es drenar la energía del rayo a tierra, en forma controlada, por medio de la varilla pararrayos, un conductor bajante y el electrodo de tierra .


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A En el código eléctrico no se trata a fondo este sistema de protección, pero exige que el sistema electrodo de tierra del sistema de protección contra rayos esté conectado con el electrodo de tierra del edificio. A primera vista, parece ilógico que el código exija la interconexión de los dos sistemas. Por un lado, queremos drenar la corriente del rayo a tierra y el Código nos exige que lo conectemos a nuestro sistema del edificio, donde se encuentra ubicado nuestro valioso equipo electrónico. Es decir, estamos trayendo parte de la energía del rayo a nuestra instalación eléctrica. Sin embargo, la razón de esta regla es lógica. No debe olvidarse que la razón primordial del Código es la seguridad del personal y que el buen funcionamiento del equipo es secundario para el Código. La energía del rayo puede consistir en altas intensidades de corriente y altos voltajes. La corriente generada por un rayo puede alcanzar niveles de 200000 amperes y mayores. Si nuestro sistema de tierra de protección tiene una resistencia de 10ohms,el voltaje sería de 2000000 de voltios. A estos niveles, si los dos sistemas de tierra, el del edificio y el de protección contra rayos, no estuvieran interconectados, existiría una diferencia de potencial entre éstos, y se produciría el salto del arco o chispa, que podría causar graves daños y aun la muerte de las personas. También podría ocurrir que si una persona tocara en el momento del rayo un objeto metálico y el conductor bajante del sistema, estaría expuesta a dos millones de voltios por unos cuantos microsegundos. En resumen, Esta interconexión de sistemas es por razones de seguridad…!!! En la figura 5 se muestra el sistema de tierra para la protección contra rayos.

Fig. 5 : Tierra de Sistema de Protección contra Rayos


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Tierra del Equipo ó Tierra de Seguridad Este sistema está destinado a la protección del personal y el equipo contra fallas o cortocircuitos. Es conecta a todas las partes metálicas de los equipos, es decir, los gabinetes metálicos, los conductos metálicos, las cubiertas metálicas de enseres domésticos eléctricos, y todo el equipo que puede ser energizado y entrar en contacto con personas, para mantener una misma referencia a tierra

Fig. 6.- Tierra del Equipo o Tierra de Seguridad

Este método no utiliza el sistema bajo tierra o electrodo de tierra. El Código eléctrico exige que estas conexiones sean efectivas, es decir, que tenga continuidad, pueda transportar la corriente de falla con seguridad (o sea, que tenga adecuada ampacidad o capacidad para transportar la corriente de falla) y ofrezca una baja impedancia de tal forma que facilite la operación de los dispositivos de protección. Conductor Conectado a Tierra También se le conoce en el código eléctrico como conductor de neutro. Tiene la función de retorno de la corriente del conductor de fase para un sistema monofásico y el retorno de las corrientes de fase que no se cancelaron para un sistema trifásico El conductor neutro, de acuerdo con el Código Eléctrico, es la referencia a tierra del sistema debido a que, en un sistema conectado a tierra, se conecta a tierra en el transformador de la empresa suministradora de energía y este conductor conectado a tierra se trae a nuestro equipo de servicio a la entrada del edificio Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Porque el Código así lo pide. En este punto se establece la unión neutro-tierra, en la barra de tierra, y se conecta el conductor del electrodo de tierra al conductor neutro. Es decir, el neutro es un conductor conectado a tierra. Y en cualquier sistema, cuando se habla de voltajes, se trata del voltaje de un conductor con referencia al conductor neutro, el cual está conectado a tierra. En la figura 6 se muestra la conexión de tierra del edificio, y el sistema de tierra del circuito, o el conductor conectado a tierra.

Fig. 6.- Conductor Conectado a Tierra ó Conductor Neutro

Tierra Aislada Este sistema ofrece una tierra libre de ruido eléctrico para equipo electrónico sensible y se usa especialmente en salas de computadoras. También se conoce como tierra dedicada, aunque este término ha causado una gran confusión. A principios de los 70, grandes e importantes empresas en Estados Unidos experimentaban problemas de ruido eléctrico e interferencias de alta frecuencia en los conductos metálicos que protegían los cables de señales o servían de conductores de tierra. Por ese motivo se inventó otro conductor de tierra, como conductor separado, aislado del conducto, diferente del conductor de seguridad, con la exclusiva función de proporcionar una tierra libre de ruido, separada de la tierra contaminada o tierra "sucia" del edificio.


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Fig. 7 Tierra Aislada ó Dedicada

Los comités del Código la aceptaron y se le llamó tierra aislada. Se le hubiera podido llamar "tierra dedicada" u otro nombre más apropiado, pero el término "aislada" ha permanecido en la industria, lo cual ha causado innumerables problemas, confusión y caos en el sistema de tierra de sistema eléctrico de distribución. Tierra de Referencia de Señal Es el sistema de referencia cero para todos los equipos de señales digitales. Fue inventado por fabricantes de equipos electrónicos con objeto de proporcionar una tierra sin contaminación, separada de la tierra del equipo, pero como indica la figura 8, sino están interconectadas es una violación del NEC. En este caso, para cumplir con el Código , el electrodo de la tierra de señal debería interconectarse con el sistema de tierra del edificio. A esta tierra se le han designado gran cantidad de nombres:   

tierra de señal, tierra de ruido, tierra electrónica,


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Fig. 8.- Tierra de Señal

pero, aunque sean buenas las intenciones para proteger el equipo, su instalación puede producir una violación del Código Eléctrico. Muy a menudo cuando los equipos se encuentran ubicados a 30 metros o mayor distancia del tablero principal, se conectan a la estructura metálica del edificio. Efectuar esta conexión no es una violación del Código, pero puede existir una diferencia de potencial debido a la longitud misma del conductor de tierra. Un cable AWG número 12 tiene aproximadamente 0.10 ohms de resistencia, por lo tanto sólo se requiere 0.10 voltios para generar 1 ampere. Cualquier intensidad de corriente en el conductor de tierra afecta los equipos electrónicos ya que esta tierra es la referencia cero para el equipo electrónico digital. Los primeros cuatro sistemas mencionados anteriormente son normas del Código Eléctrico para la seguridad del personal y el equipo; el quinto y sexto tratan sobre la integridad del sistema y la protección de los componentes de equipos. Si los dos últimos sistemas se instalan correctamente, aseguran un buen funcionamiento y un largo ciclo de vida para los sistemas digitales. A.2.c.

Conexión a Tierra (Ground)

A.- Conexión conductora, realizada intencional ó accidentalmente, por medio de la cual un circuito eléctrico o equipo es conectado a la tierra física o a algún cuerpo conductor de extensión relativamente grande en lugar de la tierra


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A B.- Referencia de alta frecuencia. Las conexiones a tierra son usadas para establecer o mantener el potencial de la tierra o del cuerpo conductor a un valor muy cercano entre si de los conductores que conducen corrientes hacia tierra A.2.d.

Electrodo de Tierra ( Ground Electrode)

Un conductor o grupo de conductores en contacto íntimo con la tierra física con el propósito de proveer un medio de conexión a tierra para colectar corrientes desde la tierra o para disipar corrientes en la tierra A.2.e.

Corriente de Tierra ( Ground Current)

Corriente que fluye hacia o desde la tierra física A.2.f.

Malla de Tierra ( Ground Grid)

Un sistema de barras y conductores interconectados dispuestos de una manera específica sobre un área determinada o enterrados bajo la superficie de la tierra A.2.g.

Lazo de Tierra ( Ground Loop)

Lazo potencialmente dañino el cual se forma cuando dos o mas puntos del sistema eléctrico, normalmente conectados al potencial de tierra, se interconectan por medio de un camino a través del cual los puntos no se encuentran al mismo potencial de tierra A.2.h.

Sistema de Tierra ( Grounding System)

Comprende todas las interconexión de las instalaciones de tierra ubicadas en un área específica


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A B. MÓDULO 2.- TEORÍA BÁSICA APLICABLE A LA PUESTA A TIERRA B.1.

Objetivo:

Aprender a relacionar las variables eléctricas involucradas con el flujo de corriente por los circuitos de tierra B.2.

Ley de Ohm

El físico aleman Simón Ohm estableció experimentalmente en 1827 la ley que lleva su nombre, definiéndose de la siguiente manera: la intensidad que circula por un circuito es directamente proporcional a la tensión aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia del circuito.

I=V/R I : Intensidad => Amperios (A) V => Tensión => Voltios (V) R => Resistencia => Ohmios ( )

B.2.a.

Resistencia Pura:

Es la oposición al flujo de la corriente eléctrica. Cuando circula corriente se produce calor y esta variable (calor) cambia el valor de resistencia delos conductores. En el caso de la tierra física, la resistencia del electrodo de tierra varía por su composición química y es afectado además en forma muy importante por la composición química del suelo, la temperatura y la humedad del ambiente B.2.b.

Inductancia - Reactancia Inductiva

La reactancia inductiva en un circuito de corriente alterna se debe a la inductancia del circuito, la que a su vez la origina el campo magnético producido por la corriente alterna. Cuando la corriente circula a través de un conductor se genera un campo magnético. La inductancia la produce la corriente alterna, al cambiar de dirección y magnitud, esto hace que la magnitud de los campos magnéticos ascienda y disminuya. La reactancia inductiva es la oposición la flujo que presenta un inductor al flujo de la corriente . XL = 2∗Π∗ f ∗

,


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A En donde : XL = Reactancia Inductiva f = Frecuencia L= Inductancia Cuando las líneas de fuerza magnética ( Líneas de flujo) suben y bajan, cortan el conductor, inducen en este un voltaje de CA directamente opuesto al voltaje aplicado. Este voltaje inducido se expresa por la ley de Lenz y representa el sobrevoltaje transitorio o voltaje pico generado por cualquier cambio en le flujo de corriente

E := −L⋅

di dt

Donde, E = Voltaje Inducido L= Inductancia di= Cambio de flujo de Corriente dt= Unidad de tiempo La resistencia pura y la reactancia se miden en ohmios ( ) B.2.c.

Capacitancia - Reactancia Capacitiva

ARMADURAS DIELECTRICO

Un condensador es un componente eléctrico que tiene por misión almacenar electrones de forma temporal. Consta de dos placas metálicas llamadas armaduras y separadas por un aislante llamado dieléctrico. Si aplicamos tensión a las armaduras, éstas se cargan de electricidad permaneciendo almacenada. Decimos entonces que el condensador está cargado. La cantidad de electricidad que puede almacenar un condensador depende de dos factores:

1.Del tamaño de las placas: 2.Del espesor de Dieléctrico:

A mayor tamaño, mayor capacidad A menor espesor, mayor capacidad


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Xc :=

1

( 2⋅ Π ⋅ f ⋅ C)

Donde, Xc = Reactancia Capacitiva f = Frecuencia C= Capacitancia La reactancia capacitiva representa la oposición al flujo de la corriente alterna debido a la capacitancia y esta a su vez es la oposición a los cambio de los voltaje y también se mide en ohmios B.2.d.

Impedancia

La resistencia, la reactancia inductiva y la capacitiva ofrecen oposición al flujo de la corriente en un circuito de corriente alterna. Para encontrar la oposición total al flujo de corriente alterna es necesario sumar vectorialmente la resistencia, la resistencia y las reactancias. La suma de estos componente se conoce como IMPEDANCIA , su símbolo es “Z” y s expresa en ohmios.

Z :=

2

R

+

( XL − Xc)

2

En donde, R = Resistencia XL = Reactancia Inductiva Xc = Reactancia Capacitiva


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A B.3.

Potencia Eléctrica

Desde el punto de vista eléctrico la potencia es el producto de la tensión aplicada a un circuito por la Intensidad que circula. La Potencia se miden con los vatímetros. El vatio es a veces una unidad muy pequeña, pero otras veces es muy grande, por lo que se emplean tanto múltiples como submúltiplos, con equivalencias tal y como se reflejan en el cuadro adjunto. Submúltiplos: Múltiplos:

1 W (vatio) => 103 mW (milivatio) 1 kW (Kilovatio) => 103 w (vatios) 1 MW (Megavatio) => 106 w (vatios)

La expresión matemática de potencia es : P = V x I Donde, P => Potencia, en vatios (w) V => Tensión, en voltios (V) I => Intensidad, en amperios (A)


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A C. MÓDULO 3.- SEGURIDAD INDUSTRIAL Objetivos:  Explicar porque una tierra correcta y efectiva juega un papel muy importante en la seguridad industrial y lo relacionado con la descarga eléctrica  Explicar los factores que determinan la forma severa de una descarga eléctrica  Identificar la mínima cantidad de corriente que se genera durante una descarga eléctrica que puede causar la muerte  Explicar la forma en que las uniones eléctricas de las partes metálicas que albergan los circuitos eléctricos pueden proteger al personal contra descargas eléctricas C.1.

La Severidad de una Descarga Eléctrica

La circulación de corriente eléctrica por el cuerpo humano tiene consecuencias que pueden ir desde “Schock” eléctrico y lesiones hasta la muerte. Los efectos de la descarga eléctrica dependen de la magnitud de corriente que circule y el tiempo que permanezca esa circulación en el organismo. Cada cuerpo humano tiene comportamientos particulares ante una circulación de corriente razón por la cual el análisis de los efectos se efectúan aplicando técnicas estadísticas. Debido a que una corriente eléctrica en un lapso de tiempo transporta energía, dada esta por: E= I2 * t , donde, E: Energía en joules, I: Corriente en amperios, t: Tiempo en segundos Se puede establecer que una corriente de baja intensidad circulando durante un tiempo largo en el organismo causa los mismos efectos que una corriente de alta intensidad circulando en un tiempo corto. En las siguiente figura se muestran los efectos de la circulación de corrientes en el cuerpo humano


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Fig. C-1 : Efectos de la Corriente Eléctrica en el Cuerpo Humano

TABLA C-1 : EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA SEGÚN INTENSIDAD U DURACIÓN DE LA DESCARGA ZONA 1

NO HA HAY SE SENSACIÓN

ZONA 2

PERCEPCIÓN DE CORRIENTE PERO SIN EFECTOS (10 mA es la zona de inicio de problemas)

ZONA 3

CONTRACCIONES MUSCULARES y DIFICULTADES MOTORAS. USUALMENTE NO HAY FIBRILACIÓN VENTRICULAR (0,5% de Probabilidad)

ZONA 4

SE INCREMENTA LA PROBABILIDAD DE FIBRILACIÓN VENTRICULAR EN a: Hasta 5% b: Hasta 50% c: Mas del 50%

En la gráfica C-1 se puede apreciar que la corriente de 30 mA nunca ingresa en la zona 4. Típicamente es el máximo valor considerado seguro a las personas y es el usado para ajustar elementos de protecciones de corrientes residuales (aplicados en seguridad de personas ) Un efecto de la descarga eléctrica el cual tienen características casi siempre fatales corresponde a la Fibrilación Ventricular , lo cual consiste en la pérdida, por parte del Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A R A corazón, de la capacidad efectiva del bombeo causando detención de la circulación de sangre a todas las partes del cuerpo dando como resultado la muerte en un tiempo muy corto. El cuerpo humano es comparable con un conductor eléctrico. Éste cuenta con un revestimiento o aislante, cuya función es mantener el voltaje y los electrones dentro del conductor y separar otros voltajes de él. El aislante también brinda protección mecánica al conductor. Asimismo, el cuerpo humano también está cubierto con un material aislante: la epidermis o piel humana. Del mismo modo que el aislante de un cable, la principal función de ésta es cuidar el interior del cuerpo, en este caso mantener el voltaje fuera del cuerpo. La piel también cumple una función de protección mecánica. No obstante, la capacidad de aislamiento de la piel es baja, si se compara con el forro aislante de un cable de 600 volts. El aislante del cable cubre al conductor de cobre, el cual tiene una baja resistencia y ofrece una oposición muy pequeña al flujo de corriente. En forma análoga también existe un conductor dentro del cuerpo humano. Este conductor está compuesto de agua salada, el cual también es un buen conductor de corriente. Por lo tanto, la resistencia del cuerpo es muy baja y ofrece una trayectoria a la corriente, como lo hace un conductor. La ampacidad de un conductor, o su capacidad para transportar corriente, la determina el material del conductor y su aislante. Por ejemplo, un alambre calibre número 14 AWG tiene una ampacidad para 15 amperes. La ampacidad del cuerpo humano es muy baja ya que sólo puede conducir una fracción de corriente antes de que cause daño. Una corriente de 80 miliamperes (0.080A) puede ser mortal . En hospitales y lugares dedicados al cuidado de la salud, existe la preocupación acerca de que tan sólo unos cuantos microamperes (0.000001A) pueden causar daños a los pacientes. Al aplicar 1500 ohms como la impedancia promedio de un varón de 150 libras de peso (68kg) y varios voltajes a un circuito y utilizando la fórmula empírica de Charles Dietzel, quien estudió los efectos de la descarga eléctrica en el cuerpo humano, obtenemos la corriente máxima antes de una condición mortal para una persona: t :=

0.027 2

I

Donde, t= tiempo en segundos I= Corriente en amperes Usando esta fórmula, obtenemos la descarga eléctrica máxima para varios servicios, antes de que el corazón entre en fibrilación y sobrevenga la muerte Por ejemplo, una lámpara incandescente de 100 watts, en un circuito de 120 voltios, usa 833 miliamperes (0.830 A). Sin embargo, sólo se requieren 80 miliamperes para provocar Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A R A la muerte, o sea, ésta es una cantidad de corriente sustancialmente menor de la necesaria para prender una bombilla incandescente. Experimentalmente se ha encontrado que: Tabla C-2 Duración de una descarga Eléctrica antes de que el corazón comience a fibrilar Voltaje del Circuito (V) 120 240 277 480 C.2.

Duración (Segundos) 4,2 1,05 0,8 0,26

Puesta a Tierra y Descarga Eléctrica

La figura C-2 se muestra una falla o cortocircuito dentro de un motor trifásico, que opera a 208 V, de manera que el chasis del motor se puede considerar vivo o energizado

Fig. C-2 : Falla a Tierra en un Motor

Cuando ocurre una falla dentro del motor el armazón metálico de este se encuentra al mismo potencial a tierra que el conductor de fase. Ahora existe un peligro como las probabilidades de un accidente en caso de que alguien toque al mismo tiempo el armazón del motor y una superficie que esté conectada a tierra. Existe una diferencia de potencial entre el punto 1 y los puntos 2 y 3, cuyo valor puede variar dependiendo de la efectividad de la unión entre el conductor de fase y el armazón del motor. En términos gráficos cuando una persona haga contacto con el motor fallado será establecido un circuito eléctrico caracterizado de la forma siguiente:


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Fig. C-3 Descarga Eléctrica

Al efectuarse el contacto se produce la descarga eléctrica. Para el mismo caso ilustrado puede existir otro peligro de descarga eléctrica. Consiste en que una persona toca el armazón o chasis del motor y pisa otra superficie conectada a tierra, al mismo potencial que la tubería metálica para agua. De nuevo en la fig. C-4 se puede apreciar la trayectoria de la corriente a través del cuerpo. La severidad de la descarga eléctrica de la víctima depende de la forma en que esta se encuentre conectada al circuito eléctrico

Fig. C-4 Peligro de recibir una Descarga eléctrica

C.3.

Prevención de la Descarga Eléctrica – ( Conexión a Tierra de Seguridad )

En la figura C-5 se muestra en forma conceptual la conexión de un puente de unión. Esta instalación es parte de un sistema que está conectado a tierra en forma adecuada y elimina los peligros que existían antes. Sin embargo, en los circuitos normales, el puente de unión no se conecta en forma individual a la armazón del motor. De acuerdo con el Código Eléctrico Nacional (CEN), en Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A un diseño correcto, este conductor de tierra se extiende en paralelo con los conductores de circuito dentro del mismo conducto.

Fig. C-5 . Como eliminar peligro de Descarga Eléctrica

La instalación de este puente de unión elimina la diferencia de potencial que puede existir entre el chasis ó armazón del motor y otras superficies conectadas a tierra. La fig C-6 muestra la instalación correcta , según el CEN, de la tierra del equipo o tierra de seguridad

Fig. C-6: Instalación, según el CEN, de la tierra de seguridad o tierra de Equipo


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A D. MÓDULO 4.- SISTEMA de ELECTRODO de TIERRA Objetivos:       

Definir el electrodo de Tierra Explicar el Sistema de Electrodo de Tierra Explicar el propósito del Electrodo de Tierra Explicar que es la tierra Ufer Explicar en que consiste la resistencia de Tierra Explicar que es la Resistividad Volumétrica Explicar la necesidad de interconectar todos los electrodos D.1.

Que es Conexión a Tierra ..???

El término electrodo se utiliza para identificar a las terminales de una batería, las cuales indican la trayectoria para la circulación de los electrones dentro y fuera de la batería. El electrodo de tierra de una instalación eléctrica es el medio por el cual los electrones entran a la tierra. Por tanto, es la instalación de una terminal para facilitar la entrada de los electrones a la tierra. La conexión a tierra, como se indicó antes, es una materia que frecuentemente se malinterpreta. La confusión se debe al hecho de que no se definen Adecuadamente los términos, aun mal entendimiento de los conceptos básicos y a la falta de conceptos nuevos para los modernos sistemas digitales electrónicos. El resultado es que muchas de las prácticas de conexión a tierra se basan en opiniones sin fundamento y supersticiones. Las prácticas de conexión a tierra que ofrecen excelente desempeño en bajas frecuencias de alimentación de 50, 60 y 400 Hz, etcétera, no son adecuadas para controlar correctamente las altas frecuencias presentes en los modernos sistemas de datos. Debido al advenimiento de las fibras ópticas, las frecuencias de datos fluctúan prácticamente entre la corriente continua y la radiación electromagnética de la luz visible. El objetivo principal del sistema de conexión a tierra es el control de corrientes indeseables, corrientes de falla, corrientes que generan las descargas electrostáticas, corrientes de ruido de alta frecuencia y corrientes de fuga. Un conductor que usualmente provee una trayectoria de resistencia muy baja a las frecuencias de alimentación de CA, se convierte en uno de alta impedancia ante frecuencias mas altas, cuando la mayor parte de la corriente se desplaza a través de la superficie del conductor. Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Si se trabaja con radiofrecuencias (RF) este conductor se convierte en antena que transmite y recibe las radiofrecuencias presentes en los equipos digitales (computarizados), que operan con frecuencias de reloj de 10 a 30 megahertz -bandas de radio de onda corta . En estos equipos los datos se transfieren de sistema a sistema por medio de frecuencias, a niveles de megahertz. El sistema a tierra debe controlar las corrientes para brindar la seguridad al personal y salvaguardar la integridad del sistema. El artículo 250 del Código Eléctrico consigna los requisitos generales tanto para la conexión a tierra de las instalaciones eléctricas como de los sistemas de protección contra fuego, así como los relacionados con la protección de vidas humanas. Las normas de este documento deben aplicarse a Cualquier edificio. El Código destaca la necesidad de adherirse a las normas de seguridad y también señala la responsabilidad de los ingenieros. Por otra parte, las corrientes de ruido sin control pueden causar el mal funcionamiento de los equipos, una degradación gradual y la destrucción de los Componentes electrónicos, lo mismo que la pérdida de memoria en los equipos computarizados. Fig. D-1 .Identificación del Sistema Electrodo de Tierra


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A D.2.

Tipos de Electrodos de Tierra

En muchas aplicaciones el Código Eléctrico Nacional acepta distintos tipos de electrodos de tierra. Bajo las adecuadas condiciones de interconexión y asegurando la continuidad eléctrica requerida los siguientes son sistemas de electrodos de tierra aceptados por el CEN D.2.a. D.2.b.

Tubería metálica de agua Instalada bajo Tierra Estructura Metálica del edificio

D.2.c. D.2.d. D.2.e.

Electrodo incrustado en Concreto Anillo de Tierra Sistemas metálicos subterráneos u otras estructuras enterradas como Sistemas de tuberías o tanques. Electrodos de Barras, tubos o Varillas Electrodos de Placa Metálica

D.2.f. D.2.g.

Adicional a los sistemas de electrodos básicos, previstos por el CEN, existen los electrodos artificiales aplicables para sistemas industriales alimentados desde una fuente eléctrico de alta potencia en la cual existen altos valores de corriente de falla a tierra que generan condiciones de riesgo por voltaje potenciales de toque, paso y transferidos. Generalmente este tipo de electrodos consisten en arreglos de redes reticuladas diseñadas para el control de los gradientes de potencial y las cuales ocupan áreas extensas, tal como es el caso d elas redes de puesta a tierra que sirven a Subestaciones eléctricas mayores de 34500 V, plantas de generación y grandes plantas industriales. Electrodo: Tubería metálica de Agua Instalada bajo Tierra Según el CEN, este electrodo debe consistir en una tubería metálica de agua, instalada bajo tierra, con continuidad eléctrica, en contacto directo con la tierra en una longitud mínima de 3.05 metros (10 pies). En caso de que un medidor u otro herraje comprometan la continuidad se puede hacer eléctricamente continua uniendo las secciones de la tubería con un puente de unión; de este modo, se efectúa la conexión al conductor del electrodo de tierra. En la figura D-2 se ilustra la conexión a tierra por medio de una tubería metálica.


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Fig. D-2 : Electrodo de Tierra mediante tubería metálica de agua

Electrodo: Estructura Metálica del Edificio La estructura o armazón metálica del edificio puede utilizarse como electrodo de tierra cuando se conecta a tierra en forma efectiva. Usualmente si la estructura metálica del edificio tiene un contacto directo con la tierra en un suelo homogéneo, se considera conectado a tierra en forma efectiva. Sin embargo, hay que tener en cuenta que en muchos casos, especialmente para evitar los efectos de los cambios de clima, los cimientos del edificio se encuentran sobre capas de arena y materiales plásticos usados como barreras de vapor, por lo tanto, ya que la arena y los plásticos son materiales no conductores, la estructura del edificio no estaría conectada a tierra en una forma efectiva. La mejor opción es medir la resistencia a tierra de este electrodo

Fig. D-3: Estructura Metálica del Edificio como Electrodo de Puesta a tierra


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Electrodo incrustado en Concreto Este electrodo consiste en una o más varillas de una longitud mínima de 6 m (20pies) en contacto directo con la tierra, y cubierto de 5.8 cm (2 pulgadas de concreto). Usualmente se ubica dentro y cerca de la parte inferior de los cimientos o bases que estén en contacto directo con la tierra. (véase la figura D-4). Este sistema también es conocido como tierra Ufer, en honor de Herb Ufer, quien probó en los comienzos de la década de los sesenta, que los electrodos consistentes en5.8 cm de varillas de refuerzo, enterradas en los cimientos de concreto de los edificios, medían resistencias de 5 o menos ohmios, aun en suelos secos y arenosos. Debe tenerse precaución al poner en práctica este sistema, ya que el concreto puede dañarse por efectos de corrosión de la varilla o corrientes de falla altas. El acero corroído puede expandirse más de dos veces de su volumen original y una corriente de falla alta es capaz de convertir la humedad presente en el concreto, en vapor de alta presión, el cual puede provocar fisuras en el concreto.

Fig. D-4: Electrodo Incrustado en Concreto ( Tierra Ufer)


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Electrodo: Anillo de Tierra Un anillo de tierra es un cable de cobre desnudo colocado alrededor del edificio o estructura de una longitud mínima de 6.1m (20pies) y de tamaño no menor que calibre AWG número2, como se muestra en la figura D-5. Este cable debe estar en contacto directo con la tierra a una profundidad entre 45 y 80 cm.

Fig. D-6 : Anillo de Tierra

Electrodo: Sistemas Metálicos Subterráneos u otras Estructuras Enterradas como Sistemas de Tuberías o Tanques. Como lo indica el nombre son estructuras conductoras enterradas bajo tierra las cuales representan un punto de contacto entre los cables y conductores de tierra y la tierra física. No deben ser usados como electrodos de tierra tuberías que transporten gas u otros materiales inflamables o explosivos


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Electrodo: Malla Reticulada. Consiste en el diseño de un arreglo mallado construido con conductores generalmente de cobre desnudo, enterrado directamente en el suelo en forma horizontal. La unión de las puntos que conforman las retículas generalmente se realizan mediante conexiones de tipo exotérmica. El conductor se instala a una profundidad entre los 45 y 90 cm. Dependiendo de las características del suelo y de la disponibilidad de área horizontal puede ser necesario adicionar electrodos de tipo vertical constituidos por barras de tipo coperweld ( Barras sólidas de acero, recubiertas con un baño de cobre). La longitud de los electrodos verticales puede variar en función de las características conductivas del suelo. En función de ello pueden utilizarse longitudes desde los 3 metros hasta los denominados hincamientos profundos que puede ser superiores a los 20 m de profundidad.

Fig D-6: Electrodo de Tierra tipo Malla Reticulada


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A D.3.

Funciones del Electrodo de Tierra

El término electrodo de tierra hace pensar en una varilla de tierra o una tubería metálica enterrada en el suelo. En este aparte se revisarán otros electrodos de tierra. El sistema electrodo de tierra puede consistir en uno o más electrodos que tienen funciones específicas como partes del sistema. Las funciones del electrodo de tierra son: 





Mantener un buen contacto con la tierra de tal forma que las partes metálicas de la instalación eléctrica, que no conducen corriente y que se conectan al sistema de tierra, se mantengan al potencial de tierra o potencial cero. Proporcionar muchas trayectorias a tierra para la gran cantidad de electrones generados por una descarga atmosférica o un sobrevoltaje transitorio, de tal forma que sean disipadas en forma instantánea. Drenar las corrientes de fuga a tierra, lo mismo que las descargas electrostáticas, las pueden generarse o acumularse en las cubiertas metálicas de los equipos.

Una función que muy a menudo se le asigna erróneamente al electrodo de tierra, es la de transportar corriente de falla para facilitar la operación de los dispositivos de protección. Esta no es una función del electrodo de tierra. La razón por la cual no se usa el electrodo de tierra como trayectoria de la corriente de falla, es la alta impedancia del terreno , la cual no permitiría corriente suficiente para activar le dispositivo de protección, o interruptor de circuito. La función primaria del electrodo de tierra es mantener la tierra y todas las cubiertas o partes metálicas del equipo eléctrico que no transportan corriente, a una referencia cero. Esto puede realizarse por medio de un sistema efectivo a tierra, lo cual significa una atención especial para mantener la continuidad del conductor de tierra del equipo. La unión de todos los electrodos de tierra es importante a fin de mantener el potencial cero. El electrodo de tierra ofrece multitud de trayectorias para los electrones, pero las trayectorias de baja impedancia dependen de la composición del suelo. Es importante como parte del diseño de una instalación, analizar el tipo de suelo, desde el punto de vista de puesta a tierra. La conductividad de la tierra varía con la composición de ésta, por lo tanto un suelo arenoso no tiene tanta conductividad como un suelo fértil. Adicionalmente, entre más alto sea el contenido de humedad, mejor será su conductividad. El sistema electrodo de tierra, o tierra física, puede ser considerado como un sistema de conductores que proporcionan una trayectoria controlada, para dirigir electrones hacia la tierra. Estos electrones pueden provenir de electricidad estática, corrientes de fuga o descargas atmosféricas.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A D.4. La Varilla de Tierra La sección250-52 (c) del CEN exige que si se utiliza una varilla de tierra, ésta debe tener una longitud de 2.44m (8pies), un diámetro de 13mm(1/2pulgada) como medidas mínimas. Esto proporciona aproximadamente 312 cm2 ( 150 pulgadas cuadradas) de superficie en contacto directo con la tierra. Se ha probado que un incremento en la longitud de la varilla tiene un impacto más favorable en la resistencia de la tierra que un aumento en su diámetro. Entre más larga sea la varilla menor será la resistencia a tierra. En la figura D-7 se ilustra la teoría de la varilla de tierra y su resistencia que la rodea. Existen tres resistencias que considerar:   

La de la varilla misma La del contacto entre la varilla y la tierra La dela tierra que rodea la varilla

La resistencia del material conductor que forma la varilla usualmente tiene un valor muy pequeño y es despreciable. Cuando la varilla de tierra se mantiene libre de grasa, pintura u otro material no conductor como lo indica las secciones 250-52 y 250-12, ( del CEN) y la tierra se compacta firmemente contra la varilla, la resistencia de contacto también es muy baja y se considera despreciable. La resistencia de la tierra se puede visualizar como una varilla de tierra con capas concéntricas de tierra a su alrededor. En la figura D-7 se muestra una varilla de tierra con las capas concéntricas; la capa más cercana a la varilla tiene menor superficie y por lo tanto presenta una mayor resistencia. Al crecer el área de cada capa se incrementa el área alrededor de la varilla y existirá un gran número de trayectorias para el flujo de electrones. Este ejemplo puede compararse a un conductor. Entre más grande sea la sección transversal del conductor, mas baja será su resistencia. Fig. D-7: La varilla de tierra y la resistencia del electrodo de tierra

La teoría de las capas concéntricas alrededor del electrodo también explica porque un electrodo de mayor longitud puede dispersar mejor los electrones en la tierra que uno de menor longitud. Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Es factible comparar el electrodo de tierra con un sistema de irrigación. El electrodo tiene una gran cantidad de trayectorias potenciales o puntos de irrigación donde los electrones entran a tierra. El efecto de irrigación proporciona diversos caminos que siguen los electrones para entrar a tierra. Cuando el electrodo de tierra no hace un buen contacto con la tierra, esta unión se calentará, como cualquier otra unión de gran resistencia. En áreas donde el suelo tiene una composición arenosa, el calor generado por los electrones tratando de entrar a la tierra es tal que se ha registrado que la temperatura ha cristalizado la arena. Aunque existan numerosas trayectorias para los electrones, la mayoría de éstos entrarán por la parte inferior del electrodo. Los altos voltajes y especialmente la energía de un rayo viajan en línea recta. Cuando un electrodo de tierra este constituido por varias varillas de tierra de 2,44 m (8´) de longitud , la separación entre ellas debe ser igual ó mayor a 1,5 veces la longitud de la varilla, debido a que en distancias menores pueden existir solapes de las elevaciones de potenciales que ocurren en cada varilla al momento de circular la corriente de falla. En la fig. D-8 se muestra el cambio de resistencia medida en función de la longitud de la varilla. Instalar varillas solapadas mantiene un valor alto de impedancia debido al cruce de las curvas de decrecimeinto y al circular una corriente de falla se producen elevados valores de potencial lo cual representa un factor de riesgo de descarga eléctrica por potenciales de paso.

Fig. D-8: Cambio de la Resistencia Medida en función de la longitud de la varilla


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A D.5. Unión de los Electrodos de Tierra La sección 250-50 del Código Eléctrico exige la unión de todos los electrodos de tierra. Estos métodos pueden ser: Tubería metálica de agua.  Estructura metálica del edificio.  Electrodo incrustado en concreto.  Anillo de tierra.  Cualquier otro electrodo artificial. La sección referida indica que "si estos electrodos se encuentran disponibles" deben unirse conjuntamente. 

La figura D-8 ilustra electrodos de tierra unidos según lo estipula el Código. La secuencia de la unión solo es para efectos de ilustración, ya que su conexión puede variar dependiendo de la configuración existente. La principal razón de la unión de los electrodos es para evitar la diferencia de potencial entre cualquiera de ellos. Cuando se interconectan todos los electrodos, el resultado es una diferencia de potencial igual a cero en el sistema.

Fig. D-8 : Interconexión de Electrodos de Tierra


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A En términos generales las reglamentaciones del Código Eléctrico y de otras normativas establece la interconexión entre todos y cada uno de los sistemas de electrodos de tierra existentes en una instalación. La unión o interconexión de todos los electrodos de tierra como lo recomienda la sección 250-92(b) limita la diferencia de potencial que pueda haber entre ellos. Esto se aplica no solamente para el sistema de tierra del edificio y el de protección contra rayos, sino también para los sistemas de teléfonos y de televisión por cable. El problema consiste en que usualmente estos sistemas de televisión por cable (CATV) y teléfono, requieren su electrodo de tierra. Sin embargo, las tres empresas, la de energía eléctrica, la de televisión por cable y la telefónica son tres imperios separados que nunca se comunican entre sí y por lo tanto no existe ninguna coordinación para interconectar estas tierras. No obstante, para eliminar cualquier diferencia de potencial entre cualquiera de estos electrodos y unidades de equipos de cada sistema, se requiere que estos sistemas diferentes se deban unir conjuntamente. Muy a menudo no se efectúa la unión de todos los electrodos existentes de un sistema. Cuando se instala un electrodo de tierra para un sistema de computadoras, u otro sistema o equipo, debe conectarse a los electrodos existentes. Una de las violaciones del Código más comunes, ya mencionada antes, ocurre cuando al instalar la varilla de tierra para el sistema de televisión por cable, no se conecta a los electrodos existentes de la residencia o edificio. Como consecuencia, durante una tormenta eléctrica, se producen daños a equipo electrónico y enseres domésticos.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A E. MÓDULO 5.- CONDUCTOR del ELECTRODO de TIERRA Objetivos Habiendo presentado ya la amplia variedad de modos de puesta a tierra posibles, es necesario considerar ahora el sistema mismo de puesta a tierra.    

Conocer las funciones más importantes de los conductores de tierra y se presentan algunas definiciones. Conocer los diferentes tipos de electrodos de tierra disponible. Apreciar que generalmente se usan los mismos tipos de electrodos , ya sea si el sistema de puesta a tierra es para una casa, industria o central generadora. Familiarizarse con las técnicas de instalación de electrodos de tierra y las uniones de los conductores que lo conforman E.1.

Requerimientos del sistema de puesta a tierra

La función del sistema de puesta a tierra es doble: 

Proporcionar un camino de impedancia suficientemente baja, vía los conductores de tierra, de regreso a la fuente de energía, de tal modo que ante el evento de una falla a tierra de un conductor activo, fluya por una ruta predeterminada una corriente suficiente, que permita operar al dispositivo de protección del circuito.



Limitar a un valor seguro la elevación de potencial en todas las estructuras metálicas a las cuales tienen normalmente acceso personas y animales, bajo condiciones normales y anormales del circuito. La conexión conjunta de todas las estructuras metálicas normalmente expuestas, previene la posibilidad de una diferencia de potencial peligrosa que surja entre contactos metálicos adyacentes ya sea bajo condiciones normales o anormales. -

Hay dos tipos principales de conductores de tierra: los conductores de protección (o de conexión) y los electrodos de tierra. E.2.

Conductores de conexión y conductores de protección

En las reglamentaciones, se han planteado diversas definiciones para describir los diferentes tipos de conductores de tierra usados. Los tipos son: Conductor de protección de circuito Este es un conductor separado instalado con cada circuito y está presente para asegurar que parte o toda la corriente de falla regrese a la fuente a través de él. Puede ser un


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A conductor individual, la cubierta metálica exterior de un cable o la estructura de un ducto metálico. Conductores de conexión Estos conductores aseguran que las partes conductivas expuestas (tales como carcasas metálicas) permanezcan aproximadamente al mismo potencial durante condiciones de falla eléctrica. Las dos formas de conductores de conexión son: Conductores de conexión equipotencial principales , que conectan entre sí y a tierra, partes conductivas expuestas que normalmente no llevan corriente, pero podrían hacerlo bajo una condición de falla. Estas conexiones normalmente unen al sistema de puesta a tierra tuberías metálicas de gas y agua expuestas que ingresan a la instalación, estructura metálica del edificio y servicios principales. En el interior de instalaciones, estas conexiones deben ser de un cierto tamaño mínimo (al menos 6 mm2) y generalmente no necesitan ser mayor que 25 mm2 en cobre. Nota: A las tuberías que ingresan a una instalación, debe incorporársele un acoplamiento aislante en el punto de ingreso, para evitar potenciales transferidos. Conductores de conexión suplementarios , son para asegurar que el equipo eléctrico y otros items de material conductivo en zonas específicas estén conectados entre sí y permanecen sustancialmente al mismo potencial. Se usan en adición a los conductores de conexión equipotencial principales y conductor de protección de circuito. En el interior de subestaciones eléctricas, los conductores de conexión y de tierra necesitan ser de tamaño suficiente ya que ellos pueden llevar una buena cantidad de corriente de falla hasta por tres segundos, sin daño. La tabla más abajo muestra algunos de los más comunes tamaños de cinta usada tanto para conexiones como para electrodos enterrados. El nivel de corriente mostrado es aquél calculado de acuerdo a una temperatura ambiente de 30° Celcius, duración de falla de 3 segundos y temperaturas máximas de 375 °C y 295 °C para el cobre y el aluminio respectivamente. Se aplica una formulación diferente de acuerdo a la situación, de modo que siempre debiera consultarse las normas antes de asignar un nivel de corriente. También debiera hacerse alguna estimación respecto de pérdida de material por corrosión a lo largo de la vida de la instalación.

Para conductores de conexión, es esencial que el tamaño escogido del conductor sea capaz de llevar el valor total de la corriente de falla estimada. Si ocurre una falla, la totalidad de Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A la corriente de falla puede fluir a través del conductor de tierra hacia el sistema de electrodos enterrados. Al llegar ahí se diversificará entre los electrodos, por lo tanto, éstos pueden a menudo tener una sección menor que el conductor de conexión o de tierra principal. Para seleccionar el calibre del conductor del electrodo de tierra en CA la sección 250-66 del CEN establece la regla básica: “ El calibre del conductor del electrodo de tierra de un sistema no debe ser menor que el calibre que se indica en la tabla 250-66”. A continuación se muestran los requerimientos mínimos del CEN para el dimensionar conductores de tierra

E.3.

Tipos de Electrodos de Tierra ( Configuración)

Debido a que el conductor que conforma el electrodo de tierra no necesariamente va a acarrear la corriente total de falla en algunos casos es permitido instalar un conductor de electrodo de menor calibre que el conductor de conexión. En general, 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. En sistemas puestos a tierra se requerirá Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A normalmente llevar una corriente de falla bastante grande por un corto período de tiempo y, en consecuencia, se necesitará tener una sección suficientemente grande como para ser capaz de llevar esta corriente en forma segura. Los electrodos deben tener propiedades mecánicas y eléctricas adecuadas para continuar respondiendo las solicitaciones durante un periodo de tiempo relativamente largo, en el cual es difícil efectuar ensayos reales o inspección. El material debe tener buena conductividad eléctrica y no corroerse dentro de un amplio rango de condiciones de suelo. Los materiales usados incluyen cobre, acero galvanizado, acero inoxidable y hierro fundido. El cobre generalmente es el material preferido por las razones que se describirán posteriormente. El aluminio se usa algunas veces para conexiones fuera del terreno, pero la mayoría de los estándares prohiben su uso como electrodo de tierra debido al riesgo de corrosión acelerada. El producto corrosivo -una capa de óxido- deja de ser conductivo y reduce la efectividad de la puesta a tierra. El electrodo puede tomar diversas formas: barras verticales, placas y conductores horizontales. Las formas más comunes se describen a continuación: E.3.a.

Barras

Esta es la forma más común de electrodos, porque su costo de instalación es relativamente barato y pueden usarse para alcanzar en profundidad, suelo de baja resistividad, sólo con excavación limitada y relleno. Están disponibles en diversos tamaños, longitudes, diámetros y materiales. La barra es de cobre puro o de acero recubierto de cobre – tipo Coperweld - . El tipo recubierto se usa cuando la barra se entierra por medios mecánicos (impacto) ya que el acero usado tiene alta resistencia mecánica. La capa de cobre debe ser de alta pureza y aplicada mediante deposición electrolítica. Esto último asegura que el cobre no se deslice al enterrar la barra. En condiciones de suelo más agresivo, por ejemplo cuando hay alto contenido de sal, se usan barras de cobre sólido. Barras de acero inoxidable son más anódicas que el cobre y se usan ante riesgo de corrosión galvánica. Sin embargo, debe considerarse el hecho que el acero inoxidable tiene baja capacidad de transporte de corriente en comparación con el cobre. En cada extremo de la barra hay sectores tratados que permiten disponer de un extremo aguzado, un extremo con una cabeza endurecida o con hilo para atornillar barras adicionales. Es importante en el caso de barras recubiertas, que la capa de cobre se mantenga intacta en la sección fileteada (con hilo). Algunos fabricantes también tienen una barra taladradora de cabeza de cruz, que es particularmente útil si los acoplamientos de barra tienen un diámetro mayor que la barra. Se asegura que este tipo de cabeza permite enterrar hasta mayor profundidad. Las barras están disponibles en diámetros de 15 mm a 20 mm (cobre sólido) y 9,5 a 25.4 mm (3/8´ a 1´) (acero recubierto de cobre). Las barras individuales tienen longitudes de 1, 2 a 3 metros. Cuando se usan barras roscadas para instalaciones de hincamiento profundo la longitud individual generalmente es de 1,5 m Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A También se dispone de secciones apantalladas de barra para uso, por ejemplo, cuando hay una capa de suelo altamente corrosivo, a través de la cual debe atravesar una barra profunda. La pantalla debe ser por ejemplo de PVC para prevenir contacto entre la barra y el suelo corrosivo. Por supuesto esta sección no contribuye a reducir el valor de impedancia, puesto que no está en contacto con el suelo. E.3.b.

Placas

Se usa varios tipos de placas para propósitos de puesta a tierra, pero el único tipo que se considera generalmente como electrodo debe ser sólido y de tamaño sustancial. Las placas tipo enrejado, como se ilustra en la Figura E-1, se usan para graduar potenciales y no se espera que permitan el paso de niveles de corriente de falla significativos. Se hacen normalmente de una malla de cobre o de acero. Su aplicación real es limitada.

Fig E-1 : Electrodos de Tierra tipo Placa E.3.c.

Electrodos Horizontales

Están hechos de cintas de cobre de alta conductividad o conductores trenzados (cables). Los conductores trenzados se usan generalmente para instalar electrodos de tierra que sirven bajas frecuencias, tales como tierras de seguridad en plantas, SPT de subestaciones eléctricas y otras. La cinta se usa para la instalación de electrodos de tierras de referencia que operan a alta frecuencia, tal como las que se instalan en pisos falsos de las salas de control. Para esta aplicación la cinta es el material más conveniente pues para una sección dada de material presenta una mayor superficie y se considera que tiene un comportamiento mejor a alta frecuencia, debido a la capacitancia levemente mayor a tierra. Puede ser más difícil de conectar (por ejemplo a barras verticales), de modo que puede significar un costo de instalación levemente mayor.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Para reducir costos globales, la cinta se puede usar para los electrodos que llevarán la mayor corriente (por ejemplo electrodos del perímetro y conexiones principales a los equipos) mientras que el conductor retorcido puede usarse en otra parte. La cinta que se instala bajo tierra es totalmente recocida de modo que puede ser plegada fácilmente. Para conexiones exteriores al terreno están disponibles cinta cubierta de PVC, conductores sólidos o retorcidos. También se dispone de cinta de cobre cubierta de plomo o estaño para aplicaciones especiales. E.3.d.

Electrodos Secundarios

También se les conoce como electrodos electrolíticos o “Barras Químicas”. Consiste en la implantación artificial de sistemas denominados “ interfases de tierra de baja impedancia”. Existen algunos tipos interesantes de electrodos secundarios, cuyo propósito es mejorar el comportamiento de un electrodo de tierra. Ellos incluyen pozos de tierra y embalses de terreno. Un pozo de tierra puede comprender varias tuberías largas enterradas verticalmente en el suelo. Están conectadas entre sí y rodeadas por un material de baja resistividad. Un embalse de tierra es típicamente una cavidad en una ubicación donde se pueda mantener la humedad, que está llena con desechos metálicos y otro material conductivo. Un ejemplo de electrodo secundario consiste de un tubo de cobre de 50 mm de diámetro, disponible en longitudes de hasta 6 metros. El interior del tubo se llena parcialmente con sales metálicas en bruto y los extremos superior e inferior se sellan con tapas. Se perfora el tubo en la parte superior para ventilación y también para drenaje en la parte inferior. El material de relleno de área alrededor del tubo es la Bentonita, el cual es un material de alta conductividad de origen volcánico, el cual tiene propiedades coloidales ( Retención de la humedad). Ver figuras E-2, E-3

Fig. E-2: Hemisferio de Interfase


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Fig. E-3: Detalles de Electrodo Químico

El dispositivo funciona del siguiente modo: Producto de los cambios en la presión atmosférica y del movimiento natural del aire, se bombea aire a través de los huecos de ventilación, en la parte superior del tubo. La humedad existente en el aire absorbido entra en contacto con la sal y se forman gotas de agua vía un proceso higroscópico. Al acumularse la humedad, se forma una solución electrolítica que escurre hacia la parte inferior del tubo. Con el tiempo se forma suficiente electrolito el cual fluye a través de las perforaciones inferiores 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. El tubo que conforma la barra electrolítica consiste en un tubo compuesto por 95% de cobre y 5% de níquel, de2.40m (8 pies) de longitud o mayor y aproximadamente 5cm (2“) de diámetro. Las sales que rellenan la barra es una mezcla compuesta por : CaCO3 y NaCl, que absorben la humedad. Los tapones en los extremos del tubo son de cobre y los orificios con los que cuenta son dos de 5cm (2” ) en la parte superior y cuatro orificios a 5cm (2”) en la parte inferior, por los cuales los electrólitos se distribuyen en la tierra. El electrodo se instala en un hueco perforado en la tierra, que debe tener un mínimo de 15cm (6”) de diámetro y rebasar por 15cm ( la longitud del electrodo). El electrodo se ubica en el centro del hueco con 15cm(6”) de la parte superior del electrodo por debajo de la superficie. El hueco alrededor del electrodo se rellena con bentonita. La operación del electrodo se basa en la capacidad del cloruro de calcio para condensar la humedad del aire a través de los dos agujeros de la parte superior. Debido a la fuerza de gravedad el agua pasa a través de la sal dentro del tubo y se convierte en electrolito, el cual es un buen conductor de electrones. Existe un pequeño compartimiento en la parte inferior del tubo donde se almacena agua y se desborda dentro del hueco lleno de bentonita. El agua se convierte en iones de sal metálicos y en contacto con la tierra aumentan la conductividad de ésta. También aumenta la conductividad de la bentonita, la cual tiene la propiedad de adherirse a la superficie exterior del tubo, lo mismo que a la superficie del hueco. Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A No importa qué tan seco sea el ambiente , la bentonita se adhiere al terreno. Esto elimina la resistencia entre el electrodo y la tierra. El resultado total es el descenso de la resistencia de las capas de tierra alrededor del electrodo. Si bien los electrodos de tipo electrolítico tienen las ventajas de producir el acondicionamiento ( Reemplazo) del terreno natural en el cual se instala su efectividad depende de la calidad de los materiales usados en su construcción y la experiencia práctica ha demostrado que requieren mantenimientos mayores en lapsos de tiempo no superiores a los dos años. El mantenimiento consiste en la remoción del material bentonítico que rodea la varilla para eliminar el proceso de compactación natural que sufre por efecto de la gravedad. Las condiciones de conductividad de la bentonita son altamente influenciados por la compactación de las capas que conforma la estructura del suelo. A mayor compactación menor es la capacidad de retención de humedad y por lo tanto se degradan las propiedades conductoras del suelo, afectándose la conductividad del mismo y en consecuencia la efectividad de la barra electrolítica como electrodo de tierra. Esta situación debe ser evaluada de manera muy cuidadosa cuando se selecciona una solución de barra electrolítica como electrodo de tierra, debido a que los costos de reposición y mantenimiento del suelo son altos ( aprox. 60%) del costo de inversión inicial lo cual a lo largo de la vida útil de la instalación representa un alto desembolso de dinero. Por otro lado, la generalidad de los vendedores de estos sistemas no alertan al usuario sobre las necesidades de mantenimiento, por las razones arriba indicadas, y el usuario generalmente no considera el mantenimiento de los sistemas de tierra química, teniéndose como resultado en el mediano plazo ( 4- 5 años ) la falta absoluta de efectividad del sistema y generando condiciones de inseguridad por la pérdida del electrodo de tierra en el sistema de puesta a tierra. En la fig. E-4 se aprecian detalles de montaje de un electrodo químico marca comercial CHEM-Rod de la empresa Ligthning Eliminators & Consultants, Inc.


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Fig. E-4 : Detalles de Montaje de una barra Química de una marca Comercial


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A E.4.

Métodos de Instalación de Electrodos de Tierra

Cuando se instalan electrodos de tierra, se deben satisfacer tres condiciones:   

El trabajo debe ser realizado eficientemente para minimizar costos de instalación. El terreno o material de relleno usado no debe tener un índice de acidez pH que cause corrosión al electrodo. Todas las uniones o conexiones bajo tierra deben ser construidas de modo que no se presente corrosión en la unión o conexión.

El método de instalación, relleno y conexiones dependerá del tipo de sistema de electrodos que se usará y de las condiciones del terreno. Donde se pueda, el trabajo debe hacerse mediante de excavaciones comunes. En la generalidad de los casos, se necesita apoyo mecánico y herramientas manuales para apoyar la instalación. E.4.a.

Barras

Las barras generalmente ofrecen la forma más conveniente y económica de instalar un electrodo. A menudo se requiere modificar poca superficie (tal como romper superficies de concreto), pero por supuesto es necesario inspeccionar para asegurarse que no hay equipo o instalaciones enterradas -tales como tuberías de agua o gas- que puedan ser dañadas al enterrar las barras. Los métodos de instalación incluyen accionamiento manual, accionamiento mecánico y perforaciones. Las barras cortas (típicamente hasta 3 metros de largo) se instalan a menudo empleando un martillo pesado operado manualmente. Los golpes relativamente cortos y frecuentes son más efectivos normalmente. Las barras están acondicionadas con una cabeza endurecida y una punta de acero para asegurar que la barra misma no se dañe durante el proceso. Las barras más largas se manejan en forma similar, pero usando un martillo neumático que requiere mucho menos esfuerzo físico y proporciona una inercia directa mayor. Se usan también exitosamente para este propósito herramientas accionadas en forma eléctrica, a gasolina, hidráulicas, de aceite o aire. Debido a su peso, estas herramientas algunas veces requieren de un aparejo para sostenerlas. Un martillo eléctrico típico podría tener un consumo de 500 Watts y proporcionar aproximadamente 1500 golpes por minuto. Es posible enterrar barras hasta una profundidad de 10 metros o más usando este método, dependiendo por supuesto, de las condiciones reales del suelo. Dependiendo del tipo de suelo en el cual se realiza el trabajo será el tiempo que se demore instalar la barra . Por ejemplo, en arena o gravilla suelta, la tasa de penetración de una barra de 12, 7 mm ( ½”) de diámetro puede ser 3,5 metros por minuto, pero ésta cae a 0,5 metros por minuto en arcilla firme.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A El diámetro de la barra es el principal factor que incide en el esfuerzo necesario para instalarla. Las barras delgadas (9 mm de diámetro) se instalan relativamente fácil, pero a medida que la longitud de la barra aumenta, el diámetro de la barra debe incrementarse para asegurar que la barra tenga suficiente resistencia mecánica particularmente en los puntos de unión. Al doblar el diámetro de la barra de 12 mm a 24 mm, aumenta la resistencia mecánica para impacto en más de tres veces. Instalación de Barras Acopladas Mecánicamente Cuando las barras tienen que ser muy profundas, normalmente son soldadas o acopladas mecánicamente. El acoplamiento debe ser tal que el diámetro de la barra no se incremente significativamente, de otro modo la instalación se dificultará y al penetrar la unión se producirá un espacio con un diámetro mayor que el de la barra. El acoplamiento debiera también apantallar la sección tratada, para ayudar a prevenir la corrosión. Para barras acopladas mecánicamente ( Mediante roscas ó ensamble macho-hembra) se prefiere usar barras de longitudes cortas (1,5 m) y no se usan herramientas de impacto para su instalación. Las barras se hincarán una tras de otra (macho con la hembra), utilizando equipo de percusión hidráulica o equipo de combustión interna, según lo indicado en los planos de detalles. No es recomendable el uso de percutores neumáticos con compresores portátiles industriales de tipo pesado, ya que éstos dañan las barras durante el proceso de hincamiento y a la vez crean inconvenientes de traslado en los sitios de instalación. Durante el acoplamiento de las barras, es conveniente aplicar una pequeña cantidad de grasa conductora en el interior de la hembra que se acoplará con el macho de la barra recién enterrada. El tipo de grasa a ser utilizada deberá ser de tipo altamente conductiva. Cuando se instalan grupos de electrodos de tipo hincamiento profundo, la separación entre electrodos debe ser mayor o igual a 1,5 L , donde L: Longitud del electrodo instalado. Durante las labores de hincamiento de las barras, se aplicará una pequeña cantidad de Bentonita en polvo sin humedecer en la zona donde se entierren las barras, esto con el propósito de permitir penetración de la Bentonita por la vibración generada por los equipos de hincamiento y mejorar por acción de la sustancia la resistencia de contacto entre la barra y el suelo. Cuando se requiere barras más profundas o en condiciones de suelo difícil donde hay roca subyacente, la forma más efectiva es taladrar una perforación estrecha en la cual se instala el electrodo de barra con material de relleno adecuado. Este método es a menudo sorprendentemente económico, ya que puede realizarse un número significativo de perforaciones profundas en un día usando equipo de bajo costo. Las barras pueden Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A instalarse en forma rutinaria a profundidades de hasta 20 metros y con equipo más especializado a una profundidad significativamente mayor. Además de las ventajas de obtener una gran profundidad y una trayectoria más controlada del electrodo, otro beneficio es que de esta manera puede instalarse electrodos de cobre sólido relativamente delgados. Las barras verticales largas pueden proporcionar una solución económica en muchas situaciones. Existe también equipo disponible que usa conductor de cobre retorcido enterrado en profundidad para provocar un efecto similar al de una barra convencional, pero evita uniones mecánicas. Una barra de acero se entierra, arrastrando el conductor retorcido detrás de ella. Con el tiempo, el acero probablemente se corroa, dejando sólo al conductor de cobre como electrodo permanente. Características de los Materiales de la Barra Las barras de acero recubiertas de cobre son significativamente más resistentes que las barras de cobre sólido, las cuales se doblan muy fácilmente y pueden quebrarse cuando se intenta introducirlas en el suelo rocoso. Debido a que la barra de cobre sólido tiene una mejor conductividad que la barra recubierta de cobre, siempre que sea posible es conveniente instalar este tipo de barras, debido a que se mejora aún más el beneficio obtenido por el uso de barras largas. Si se entierran mecánicamente a grandes profundidades, las barras necesitarán ser de mucho mayor diámetro y puede ser necesaria una barra de acero recubierta de cobre para proveer la resistencia mecánica adecuada.


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Fig. E-5 .- Vistas de Instalación de Electrodos Verticales tipo Barra.

E.4.b.

Planchas

Originalmente, a comienzos de siglo XX, las planchas eran tan comunes que a todos los electrodos de tierra se les llamaba planchas de tierra. Cuando se incrementó el uso de la electricidad, las planchas debieron manejar corrientes mayores, lo cual significó aumentar las dimensiones de la plancha. Su uso continuó por un tiempo considerable, principalmente debido a la costumbre y la práctica, a pesar de que tenían algunas desventajas. Por ejemplo, generalmente requieren excavación manual o mecánica y, por lo tanto, el costo de instalación puede ser muy alto. Para reducir la magnitud de la excavación requerida, las planchas se instalan normalmente en un plano vertical, desde aproximadamente 0,5 metros bajo la superficie. Es fácil compactar el terreno contra la plancha cuando se rellena, si está instalada verticalmente. Otra desventaja se debe a la ubicación escogida para las planchas de tierra. A menudo se ubicaban demasiado próximas Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A entre si y sus zonas de influencia se solapaban. Esto aumenta la resistencia combinada a un valor mayor que el esperado. Si las planchas tienen que llevar una cantidad importante de corriente, entonces su resistencia necesita ser de bajo valor. En la práctica, las resistencias combinadas no eran aún lo suficientemente bajas y las corrientes de falla generalmente seguían otras rutas. Por lo tanto, en esta situación no se cumplía la mejor densidad de corriente, señalada como una ventaja para las planchas. Usualmente podía lograrse un arreglo mejor usando barras y electrodos horizontales. Debido al costo de instalación relativamente alto, poco se justifica usar planchas ahora y las existentes, cuando se detecta deterioro, son reemplazadas normalmente por una agrupación de barras. E.4.c.

Electrodos Horizontales

Los electrodos horizontales pueden ser instalados directamente en el terreno en Zanjas de hasta un metro de profundidad. El uso de equipo de excavación mecánica de pala angosta puede resultar en costos de instalación menores, en sitios donde esto es posible. La profundidad de instalación tiene normalmente un mínimo de 0,45 metros y más si es necesario pasar por debajo de tuberías u otros obstáculos. En muchos proyectos grandes, toda el área puede ser excavada para permitir obras civiles. Esto presenta a menudo una buena oportunidad para minimizar costos tendiendo el conductor del electrodo de tierra en ese momento. Debe tenerse cuidado de prevenir daño o robo del conductor, una vez tendido. E.5.

Relleno del Electrodo de Tierra

En todos los casos, 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. Muy a menudo, el material previamente excavado es apropiado como relleno, pero debiera ser arneado para remover piedras antes de rellenar, asegurándose de que quede bien compactado. El suelo debiera tener un indice 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 relativamente seca. También puede formar grandes terrones que no se afianzan alrededor del conductor. Los materiales que no debieran ser usados como relleno incluyen arena, polvo de coque, ceniza, muchos de los cuales son ácidos y corrosivos. En algunas circunstancias, se requiere materiales de relleno especiales. El uso de materiales especiales de relleno debe ser visto con cuidado porque no son soluciones permanentes para el mejoramiento de la resistividad del terreno por lo tanto requiere mantenimiento y eso implica costos por adecuación y reposición de sales y relleno del Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A electrodo. Adicionalmente si el material del relleno no es adecuadamente seleccionado puede generar afectación ambiental o corrosión en el sitio en el cual está ubicado. E.6.

Conexión de Conductores que Conforman el Electrodo de Tierra

Los electrodos de tierra tienen que ser conectados entre si de alguna manera y es normal que sea vía cobre desnudo si es posible, ya que esto ayudará a reducir el valor de impedancia global. 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 el valor de corriente de falla y la duración de la falla que se espera que soporte el sistema de tierra. Varios estándares indican especificaciones para los materiales que son mínimos aceptables, por ejemplo, establecen que las coplas para barras de cobre necesitan un contenido mínimo de cobre de 80%. A continuación se explican en más detalle los métodos de unión que se emplean, incluyendo métodos mecánicos, bronceados (soldadura en fuerte), soldadura exotérmica y soldados por fusión autógena. Conexiones Mecánicas Se usan comúnmente y pueden ser mecánicas (conexión apernada) o hidráulicas (compresión). Los conectores deben satisfacer los requerimientos de los estándares aplicables. El proceso de probar el cumplimiento de las normas involucra habitualmente una serie de pruebas de vida durante las cuales el conector es sometido a impactos mecánicos, eléctricos y térmicos. En consecuencia son factores importantes el diseño, tamaño y material usado –particularmente - ya que tales conectores pueden permanecer invisibles en el terreno por cierto número de años, antes de que sean solicitados para operar. Es esencial una conexión eléctrica de baja resistencia, especialmente en sistemas de electrodos del tipo radial. Durante labores de mantenimiento, se han descubierto conexiones con resistencia de más de 20 ohmios y en muchos casos incluso abiertas. Claramente, esto perjudica el comportamiento del sistema de electrodos. Cuando se apernan entre sí cintas de cobre, debe tenerse cuidando con el tamaño de las perforaciones efectuadas para acomodar el perno. Si son demasiado grandes, la capacidad de transporte de corriente de la cinta se perjudicará. Por esta razón, los estándares y reglamentos de práctica normalmente limitan el diámetro de la perforación a un tercio del ancho de la cinta o menos. 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 efectuada la conexión, el exterior debe ser cubierto por pintura bituminosa u algún otro medio para proteger contra el ingreso de humedad. Cuando se une cobre y aluminio, el cobre primero debe ser estañado. Una unión apernada Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A R A de este tipo es actualmente el método recomendado preferentemente en los estándares para conectar metales diferentes, en el caso de instalaciones exteriores y en subestaciones eléctricas. Estas conexiones deben estar a una mínima distancia sobre tierra y no pueden ser enterradas. Para unir distintos tipos de conductores, por ejemplo, barras de tierra a cinta o cable, se dispone de abrazaderas apropiadas. Estas deben tener un alto contenido de cobre. No deben usarse bandas metálicas. En algunas oportunidades se usaron uniones de tipo estañado y remachado. La cinta de cobre se perforaba, luego era estañada y remachada. Sin embargo, los remaches algunas veces se rompen y sueltan debido a vibración, etc. Este método de unión claramente no es recomendado para tratar los altos valores de corriente de falla existentes actualmente en instalaciones nuevas. A continuación las figuras muestran algunos tipos de conexiones mecánicas.


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Figura E-6 : Conector Mecánico tipo Apernado (marca Burndy)

Figura E-7 : Conector Mecánico tipo Compresión (marca Burndy)

Conexiones Bronceadas Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A R A La conexión bronceada se aplica ampliamente al cobre y aleaciones de cobre. Este método tiene la ventaja de proporcionar una baja resistencia de unión la cual no se corroe. Actualmente, es el método preferido descrito por los estándares para conectar cintas de cobre en el interior de subestaciones. Sin embargo, es esencial que el bronceado sea efectivo. Puede ser difícil hacer una buena unión en terreno, particularmente donde están involucradas grandes áreas de sección transversal. Son esenciales las superficies planas limpias pues los materiales de bronceado generalmente no fluyen como la soldadura. Existe así la posibilidad de conexiones adecuadas sólo en los puntos de contacto, pero con vacíos importantes que quedan sin llenar. Para este trabajo es esencial una buena fuente de calor, particularmente para conectores grandes. Conexiones Exotérmicas Estas uniones se realizan mediante un molde de grafito que se diseña para ajustar el tipo especifico de unión y el tamaño de los conductores. Usando una pistola con pedernal se enciende una mezcla de polvo de aluminio y de óxido de cobre y la reacción que se crea forma una unión de cobre virtualmente puro en torno a los conductores. La reacción de alta temperatura se produce en el interior del molde de grafito. Si se ocupa y mantiene adecuadamente, cada molde puede usarse para realizar entre 50 y 70 uniones. Este tipo de unión asegura los siguientes beneficios:   

Proporciona una unión permanente, de baja resistencia eléctrica y resistente a la corrosión. La técnica empleada no requiere adiestramiento, relativamente. Puede operar a alta temperatura, permitiendo eventualmente reducir el calibre del conductor.

Este tipo de unión actualmente no es siempre permitida para conectar cobre y aluminio en subestaciones. Los metales que pueden conectarse son acero al carbono e inoxidable, bronce, cobre, acero con recubierta de cobre, acero galvanizado, bronce y riel de acero. Hay algunos aspectos de seguridad involucrados con este tipo de unión, pero la técnica se ha desarrollado rápidamente para controlarlos, por ejemplo, reduciendo la emisión de gas. Igualmente cuando se trabaja con uniones exotérmicas en áreas en la cual pueden existir mezclas o atmósferas explosivas es requerido asegurarse que no esté presente la atmósfera explosiva al momento de efectuar la conexión.


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Figura E-8 : Conexiones Exotérmicas En primer plano: Distintos tipos de Unión Exotérmica de conductores tipo Cobre Trenzado y cobre a Barra de Acero Atrás: Molde de Grafito, Pinza de Sujeción y cepillo de Limpieza de Molde (Productos de la figura E-7 corresponden al catálogo de la empresa Tecno Weld, año 2000)


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Conexiones Soldadas en Forma Autógena El cobre puede unirse por soldadura de bronce o soldadura al arco en presencia de gas. La técnica de unión por soldadura de bronce es efectiva y de bajo costo, empleada primariamente para realizar uniones en terreno (por ejemplo en trabajos con tuberías de cobre). En esta técnica clásica, se usa bronce como metal de relleno para formar un enlace superficial entre las partes de cobre. La técnica emplea alta temperatura y un material de relleno que es el que más se ajusta al cobre. A pesar de que la soldadura de bronce puede usarse para conectar cobre a metales ferrosos, esto normalmente no se cumple para puestas a tierra. Cuando necesita unirse componentes de cobre de mayor medida, entonces se usa soldadura autógena en ambiente gaseoso. El arco eléctrico proporciona el calor, mientras que el área en torno al electrodo y la soldadura es envuelta por un gas tal como argón, helio o nitrógeno. Esto reduce la oxidación que toma lugar durante el proceso de soldadura. El nitrógeno se usa ampliamente como el «gas inerte» cuando se solda cobre. Se requieren materiales de relleno especialmente desarrollados, que son reconocidos por su buen comportamiento al soldar cobre. El aluminio puede ser soldado vía arco de gas inerte de tungsteno o arco de gas inerte de metal. La soldadura en frío a presión se usa algunas veces para unión entre aluminio.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A F. MÓDULO 6.- PUESTA a TIERRA del CIRCUITO

Objetivos:    

Definir que es la tierra del circuito Entender la Función del conductor conectado a Tierra Modos Comunes de conectar Sistemas Eléctricos a Tierra Entender el verdadero significado de Voltaje a Tierra F.1.

Por Que se Conectan a Tierra los Circuitos y Sistemas de Alimentación Eléctrica

La puesta a tierra de un sistema de alimentación y su circuito depende de la forma en que se conecta a tierra la fuente de energía. Es decir, puede ser la conexión a tierra de la central eléctrica o la conexión a tierra de un sistema derivado separadamente. En el caso de un sistema de Corriente Continua o Directa, suministrada por un generador ( Dínamo) , la conexión se hace en el mismo generador. Para corriente alterna, generalmente se realiza en el transformador. Cuando existe un generador de c.a, la conexión puede realizarse en el mismo generador o en su tablero de control utilizado como medio de desconexión. Las razones por las cuales los sistemas y circuitos deben conectarse a tierra son: 

Limitar el voltaje generado por: - Rayos - Sobrevoltajes - Contacto No Intencional con líneas de mayor Voltaje - Para estabilizar el Voltaje durante Operaciones normales

Esas cuatro razones puede resumirse en una principal: SEGURIDAD AL PERSONAL y al EQUIPO Adicionalmente existen otras razones tales como, un sistema eléctrico 208/120 Vac el cual está conectado a tierra tienen dos ventajas: 1. Ahorro en gastos de Cables ya que se pueden usar cuatro (4) cables para suministrar la misma carga como lo haría un sistema monofásico de seis (06) cables 2. Pueden utilizarse dos voltajes: 120 Vac para alumbrado y 208 Vac para otras cargas.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A F.2.

Conductor Conectado a Tierra

Cuando se tratan sistemas de alimentación y circuitos el término conductor conectado a tierra se usa muy a menudo para referirse al conductor neutro. Dicho término juega un papel muy importante en un sistema de conexión a tierra no sólo para la seguridad del sistema sino también para el buen funcionamiento de los equipos electrónicos. La función del conductor conectado a tierra necesita ser analizada antes de tratar sobre sistemas de conexión a tierra. Para aclarar el concepto usaremos un sistema monofásico. La palabra importante que es preciso considerar es intencionalmente pues indica que no es un accidente o un error el hecho de que se conecte a tierra cuando se realiza la instalación completa de diferentes sistemas. Existen dos términos muy importantes cuando se trata los sistemas puestos a tierra: 1. Voltaje de tierra 2. Neutro La figura F.1 muestra la definición del voltaje a tierra.

Figura F-1: Función del Conductor Conectado a Tierra


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A De acuerdo al Código Eléctrico (Artículo 100) – Definiciones – Tensión respecto a Tierra: En los circuitos puestos a tierra, es la tensión entre un conductor dado y el punto o el conductor del circuito que está puesto a tierra. En los circuitos no puestos a tierra es la mayor tensión entre conductor dado y cualquiera de los otros conductores del circuito. Existen dos aspectos importantes de la definición de arriba 1.- Para circuitos puestos a tierra es el voltaje entre un conductor de fase y el punto neutro o conductor neutro del circuito puesto a tierra 2.- Para un circuito no puesto a tierra es el mayor voltaje entre un conductor y otro conductor del circuito. Cuando el sistema de alimentación se conecta a tierra, existe un punto "neutro" y el conductor de circuito conectado a este punto se llama conductor neutro. Con pocas excepciones, el conductor conectado a tierra es el neutro. El Código no define el término neutro pero se refiere a él en la sección 31O-15(b)(4) así: “ “ E Ess e ell c coonndduuccttoorr q quuee ttrraannssppoorrttaa llaa c coorrrriieennttee q quuee n noo s see c caanncceellóó.."" La sección 250-26(2) identifica el conductor conectado a tierra como el neutro de un sistema monofásico de tres hilos. Figura F-2: Sistema Conectado Tierra

Figura F-3: Sistema no Conectado a Tierra


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a

GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A En la figura F-2 el voltaje de Fase a Neutro: Es el Voltaje de Fase a Tierra En la figura F-3 el voltaje de Fase a Fase es: El Voltaje de Fase a Tierra F.3. F.3.a.

Métodos de Puesta a Tierra Redes de Potencia

Se considera la puesta a tierra de redes de potencia en primer lugar, ya que el método de puesta a tierra de estas redes influencia fuertemente el método subsiguiente escogido en el interior de construcciones. En teoría, la red principal de potencia no tiene que ser puesta a tierra y algunas veces se argumenta que una red no aterrizada puede ser más confiable. En algunos casos esto puede ser verdad, pero en general, las redes no aterrizadas no son confiables debido a la sobre solicitación de aislamiento que rodea cables o líneas. Esta solicitación puede surgir debido a estática, inducción o fallas intermitentes. En el caso de sistemas de alta tensión, la conexión a tierra debe efectuarse tan cerca como sea posible de la fuente de voltaje. Para cada nivel de voltaje se requiere una tierra separada, aunque las tierras de redes de voltaje diferente están a menudo combinadas. Hay varias formas en las cuales puede operar el sistema de potencia: Aislado de tierra, Conectado a tierra con baja impedancia ó conectado a tierra con alta impedancia. Estos son conceptos completamente diferentes y para aquellos que están familiarizados con los conductores de tierra relativamente grandes y bajos valores de resistencia a tierra en sistemas tradicionales, el empleo de pequeños conductores de tierra y altas impedancias en otros sistemas puede llegar a ser una sorpresa. Estas diferentes técnicas se describen con más detalle a continuación . Sistema no Puesto a Tierra ó Aislado de Tierra Este sistema no tiene una conexión a tierra formal, intencional o deliberada. Pueden existir algunas conexiones de alta impedancia para instrumentación, por ejemplo el enrollado de un instrumento de medida (transformador de potencial o de corriente). Bajo condiciones normales, la capacidad entre cada fase y tierra es sustancialmente la misma. El efecto es estabilizar el sistema respecto a la tierra de modo que en un sistema trifásico, el voltaje de cada fase a tierra es el voltaje estrella del sistema. El punto neutro, si existe, está en o cerca del potencial de tierra (ver Figura F-4).


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Figura F-4: Corrientes Capacitivas en un sistema Trifásico

Las fallas en líneas de distribución aéreas son frecuentes, particularmente durante condiciones de mal tiempo, cuando pueden caer ramas de árboles sobre las líneas. Cuando ocurre el primer incidente, implicando un contacto entre un conductor y tierra, puede no haber daño porque no existe un circuito metálico cerrado que permita el flujo de corriente. Esto es diferente en un sistema conectado a tierra donde puede fluir una corriente significativamente alta. A primera vista, el sistema aislado de tierra aparenta ser un sistema más seguro y más confiable. En realidad en este sistema fluye una corriente de tierra, que retorna vía los acoplamientos capacitivos de las otras dos fases. La corriente capacitiva que fluye en el punto de falla es 3 veces la corriente capacitiva normal a tierra de cada fase del sistema completo. El daño debido a la primera falla probablemente sea leve, ya que la corriente total es aún relativamente pequeña. Sin embargo, la corriente podría ser suficiente para provocar riesgo de electrocución si alguien tocara el conductor dañado. Las compañías eléctricas a menudo consideran que es lento y tedioso localizar fallas en este tipo de sistemas. La probabilidad de una segunda falla es mayor de lo que generalmente se piensa, ya que el voltaje a través del resto del aislamiento del sistema será el nivel fase-fase en vez del nivel fase-tierra (es decir, un incremento del 173% en magnitud). Esta elevación de voltaje causa un estrés al sistema de aislamiento fase a tierra y puede provocarle envejecimiento acelerado y ruptura. Es probable que una segunda falla involucre una considerable energía de falla y daño. Por ello es importante remover la primera falla tan rápido como sea posible. El fenómeno de resonancia puede causar sobretensiones en este tipo de sistemas. El sistema ya tiene una alta capacitancia y si un conductor de fase se conecta a tierra a través de una conexión que tenga alta inductancia, (por ejemplo un transformador de medida) entonces puede ocurrir resonancia, circulación de altas corrientes y sobrevoltajes. Una falla a través de un arco intermitente con alta impedancia puede causar altos voltajes similares al fenómeno anterior, conduciendo a la falla del equipo. Esto se debe a un efecto de cargas atrapadas en el neutro. Con cada arco la carga se refuerza progresivamente y puede producir voltajes que pueden ser suficientemente altos como para sobrepasar la capacidad de aislamiento por 6 ó 7 veces (en teoría) respecto de lo que ocurre a voltaje


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A normal. Los voltajes realmente medidos en la práctica, debido a las condiciones ambientales, polvo, etc., han sido 3 a 4 veces el voltaje normal. Si la continuidad de servicio es un factor importante para el sistema de distribución, entonces un sistema aislado de tierra puede tener algunas ventajas. Sin embargo, es probable que el aislamiento aplicado entre cada conductor de fase y tierra necesite incrementarse al menos al mismo nivel que el aislamiento entre diferentes fases, para controlar el riesgo por fallas monofásicas a tierra y por carga atrapada. Ese incremento en la capacidad de aislamiento origina mayores costos de inversión y reposición de equipos fallados. Sistema Conectado a Tierra Consiste en un sistema el cual tiene al menos un conductor o punto (usualmente el neutro o punto común de la estrella) intencionalmente conectado a tierra. Por condiciones prácticas y de costo, esta conexión se realiza normalmente cerca de donde se unen los 3 enrollados individuales de un transformador trifásico, es decir el neutro o punto común de la estrella. Este método se adapta cuando hay necesidad de conectar al sistema cargas fase neutro, para prevenir que el voltaje neutro a tierra varíe con la carga. La conexión a tierra reduce las fluctuaciones de voltaje y los desequilibrios que podrían ocurrir de otra forma. Otra ventaja es que puede usarse relés residuales para detectar fallas antes que se conviertan en fallas fase-fase. Esto puede reducir el daño real causado y los esfuerzos dieléctricos y dinámicos impuestos a otras partes de la red eléctrica. El tipo de puesta a tierra se clasifica según el tipo de conexión instalada. Los principales tipos son: F.3.a.1

Sistema Conectado a Tierra Mediante Impedancia

En este caso se insertan deliberadamente resistores y/o reactores en la conexión entre el punto neutro y tierra, normalmente para limitar la corriente de falla a un nivel aceptable. En teoría, la impedancia puede ser lo bastante alta como para que fluya una corriente de falla poco mayor que en la situación de sistema no puesto a tierra. En la práctica, para evitar sobrevoltajes transitorios excesivos debido a resonancia con la capacitancia paralelo del sistema, las puestas a tierra inductivas deben permitir que fluya a tierra por falla al menos un 60% de la capacidad de cortocircuito trifásico. Esta forma de puesta a tierra tiene menor disipación de energía que la puesta a tierra resistiva. Pueden usarse como conexión a tierra enrollados de supresión de arco, también conocidos como bobinas de Peterson, o neutralizadores de falla a tierra. Estos son reactores sintonizados que neutralizan el acoplamiento capacitivo de las fases sanas y de este modo la corriente de falla es mínima. Debido a la naturaleza autocompensada de este tipo de puesta a tierra, es efectiva en ciertas circunstancias en


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A sistemas aéreos de media tensión, por ejemplo, aquellos que están expuestos a un alto número de fallas transistorias. El uso de interruptores con recierre automático ha reducido el uso de este método de puesta a tierra en sistemas de alta y media tensión. La puesta a tierra por resistencia es de uso más común, porque permite limitar la corriente de falla y amortiguar los sobrevoltajes transitorios, eligiendo el valor correcto de resistencia. En principio se usó resistencias líquidas. Ahora es más común el uso de resistores del tipo cerámico. Estos requieren menos espacio, tienen costos de mantenimiento significativamente menores y luego del paso de la corriente de falla se enfrían más rápidamente que las resistencias líquidas.

Figura F-5: Conexión a Tierra a través de Resistencia

Figura F-6: Conexión a Tierra a Reactancia

través de

F.3.a.1 Sistema Conectado Sólidamente a Tierra Esta es la técnica más común, particularmente en bajo voltaje. Aquí el neutro de un generador, transformador de potencia o transformador de puesta a tierra se conecta directamente a la red de tierra de la estación ó a la tierra física a través de una conexión adecuada en la cual no se agrega intencionalmente ninguna impedancia. La desventaja de este arreglo es que las corrientes de falla a tierra son normalmente altas pero los voltajes del sistema permanecen controlados bajo condiciones de falla.


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Figura F-7: Conexión de Neutro Sólidamente a Tierra (Una sola Fuente)

Figura F-8: Conexión de Neutro Sólidamente a Tierra (Múltiples Fuentes)

F.3.b.

Puesta a Tierra de Sistemas de Bajo Voltaje

Habiendo revisado los tipos de puesta a tierra existentes en Sistemas de Potencia, consideraremos ahora el sistema de bajo voltaje e instalación eléctrica tal como los aplicados en el interior de locales. Tipos de Sistemas

Existen ciertos métodos para efectuar una conexión a tierra, los cuales reciben definiciones estándares. Cada uno se identifica por un código que contiene las siguientes letras: T : tierra, conexión directa a tierra. N : neutro. C : combinada. S : separada. Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Basados en el código eléctrico deben conectarse a tierra los sistemas de CC y de CA. Cada uno tiene sus detalles particulares de conexión. F.3.b.1

Sistemas DC

El tratamiento de conexión a tierra de estos sistemas debe realizarse según lo definido en la sección 250-3. Sistemas de corriente continua (c.c. ó c.d). (a) De dos hilos. Los sistemas de corriente continua de dos hilos que suplan instalaciones eléctricas de una propiedad se pondrán a tierra.

Excepción N° 1: Sistemas equipados con detector de tierra que alimentan solamente equipos industriales en áreas limitadas. Excepción N° 2: Sistemas que funcionen a no más de 50 V entre conductores. Excepción N° 3: Sistemas que funcionen a más de 300 V entre conductores. Excepción N° 4: Sistemas de corriente continua obtenidos de un rectificador alimentado por un sistema de corriente alterna que cumpla con las disposiciones del Art. 250-5. Excepción N° 5: Circuitos de alarma contra incendio, en corriente continua, de corriente máxima de 0,03A, como se especifica en la sección 760 – Parte C.

(b) De tres hilos. El conductor de neutro de todos los sistemas de corriente continua de tres hilos que alimentan instalaciones eléctricas de una propiedad se pondrán a tierra.

Figura F-9.- Conexión a Tierra de un Sistema CD de dos hilos

Figura F-10.- Conexión a Tierra de un Sistema CD de tres hilos

Existen variantes y excepciones como la que permite que el conductor del electrodo de tierra de un sistema de alimentación de corriente directa sea instalado en el generador de CD o en el primer medio de desconexión ( ó en el


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A dispositivo de protección contra sobrecorriente ). Esta variante se aplica cuando la fuente de CD se encuentra en el interior del edificio

Figura F-9.- Conexión a Tierra del neutro de un Sistema CD de tres hilos en el primer medio de desconexión.

F.3.b.1.1.1.

Sistemas AC

Los sistemas de alimentación que generalmente se utilizan en las estructuras residenciales, comerciales e industriales son los sistemas monofásicos y trifásicos. Los primeros incluyen el sistema monofásico de dos hilos y el de tres hilos. Los sistemas trifásicos típicos son el conectado en estrella y el conectado en delta o triángulo. Estos sistemas son de mayor uso comercial, aun cuando se utilizan también en ambientes residenciales y comerciales. Estos sistemas pueden ser conectados a tierra de diferentes formas. Es importante estudiar con riguroso cuidado las exigencias del código para la instalación de estos sistemas a fin de proteger al personal y al equipo. De acuerdo con el Código, los sistemas que deben conectarse a tierra están definidos en la sección 250-5, a saber: 250-5. Circuitos de corriente alterna (c.a.) y sistemas que deben ser puestos a tierra. Los circuitos y sistemas de corriente alterna serán puestos a tierra en las condiciones indicadas en a), b), c) o d) que se mencionan más adelante. Los demás circuitos y sistemas se permite que sean puestos a tierra. NOTA: Un ejemplo de sistema que se puede conectar a tierra es un transformador en delta con una fase puesta a tierra. Para el conductor que se debe conectar a tierra, véase el Artículo 250-25 (4).

(a) Circuitos de corriente alterna de menos de 50 V. Los circuitos de corriente alterna c.a. de menos de 50 V estarán puestos a tierra en cualquiera de los casos siguientes:

(1) Cuando estén alimentados por transformadores, si el sistema de alimentación del transformador supera los 150 V a tierra.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A (2) Cuando son alimentados por transformadores, si el sistema que alimenta el transformador no está puesto a tierra.

(3) Cuando son instalados como conductores aéreos fuera de inmuebles. (b) Sistemas de corriente alterna de 50 V a 1.000 V. Los sistemas de corriente alterna de 50 V a 1000 V que alimentan instalaciones eléctricas de una propiedad estarán puestos a tierra en cualquiera de los casos siguientes:

(1)Cuando el sistema pueda ser puesto a tierra de tal manera que la tensión máxima a tierra de los conductores activos no sea mayor a 150 V.

(2)Cuando el sistema es en conexión estrella, 3 fases, 4 hilos, y se usa el neutro como conductor del circuito.

(3)Cuando el sistema es en conexión delta, 3 fases, 4 hilos, en los cuales el punto medio de una fase se usa como un conductor del circuito.

(4)Cuando un conductor puesto a tierra de acometida sea desnudo, según las Excepciones a los Artículos 230-22, 230-30 y 230-41.

Excepción N° 1: Los sistemas eléctricos usados exclusivamente para alimentar hornos eléctricos industriales para fundición, refinado, templado y otros similares. Excepción N° 2: Sistemas derivados separadamente usados exclusivamente para rectificadores que alimentan únicamente equipos industriales de velocidad ajustable. Excepción N° 3: Los circuitos derivados separadamente y que son alimentados por transformadores cuya tensión primaria es menor de 1000 V siempre que se cumplan las condiciones siguientes: a. Que el sistema se use exclusivamente para circuitos de control. b. Que las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personal calificado dará servicios a la instalación. c. Se requiere continuidad de servicio en el sistema de control. d. Que el sistema de control tenga instalados detectores de tierra. Excepción N° 4: Los sistemas aislados, tal como lo permiten las Secciones 517 y 668. NOTA: El uso apropiado de detectores de falla a tierra en sistemas no puestos a tierra, puede proveer protección adicional.

Excepción N° 5: Los sistemas con neutro puesto a tierra con alta impedancia, en los cuales una impedancia de puesta a tierra usualmente una resistencia, limita la corriente Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A de falla a un valor bajo. Los sistemas con neutro puesto a tierra con alta impedancia se permitirán en sistemas de corriente alterna de 480 V a 1000 V trifásicos, cuando se cumplan las condiciones siguientes: a. Que las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que sólo personal calificado dará servicios a la instalación. b. Se requiere continuidad de servicio. c. Que el sistema tenga instalados detectores de tierra. d. Que el sistema no alimente cargas de línea a neutro.

Las figuras que se presentan a continuación ilustran las tres aplicaciones más comunes de esta regulación, las cuales son los sistemas conectados a tierra más comunes que por lo general el electricista encuentra. La figura F-10 muestra un sistema monofásico de 120 voltios, de dos hilos donde un conductor es intencionalmente puesto a tierra y el voltaje a tierra no excede 150 voltios. Tal sistema se usa en un servicio pequeño con un solo circuito ramal.

Fig. F-10.- Sistema Monofásico de 120 V y dos hilos

En la figura F-11 se muestra un sistema monofásico de 120/240 voltios, de tres hilos, con el centro del devanado del transformador intencionalmente puesto a tierra y usado como conductor neutro.De nuevo, el voltaje a tierra no excede 150volts. Este sistema se usa extensivamente para servicios residenciales y en áreas de oficinas donde se requiere receptáculos de 120 voltios.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Fig.- F-11: Sistema Monofásico de tres hilos (Fase Dividida)

La figura F-12 muestra un sistema de alimentación trifásico de 120/208 voltios, de cuatro hilos, en configuración en estrella con el punto común intencionalmente conectado a tierra y utilizado como conductor neutro. El voltaje a tierra, de nuevo, no excede 150volts. Este sistema se usa normalmente en servicios de distribución de oficinas, depósitos de almacenamiento, centros comerciales, escuelas, iglesias, conjuntos multifamiliares y otros sitios semejantes.

Fig.- F-12: Sistema Trifásico en Estrella de Cuatro hilos


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A En cada uno de los tres sistemas anteriores el sistema puede ser puesto a tierra cuando el voltaje a tierra de los conductores del circuito no excede 150 voltios. Si el sistema disponible es trifásico en delta de cuatro hilos la conexión a tierra debe realizarse como se muestra en la figura F-13.

Fig. F-13.- Sistema trifásico en Delta de Cuatro Hilos

La sección 250-20 exige que un sistema de 480/277 voltios sea puesto a tierra con voltaje nominal, trifásico de cuatro alambres, donde el conductor neutro se use como conductor de circuito conectado a tierra. Cuando existen sistemas trifásicos de tres hilos y es requerido un nivel de tensión intermedio existen variantes de conexión aceptadas por el código las cuales se muestran en las figuras siguientes:

Fig.- F-14: Sistema en Delta con una fase Conectada a tierra


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Fig.- F-15: Conexiones para el Servicio Tipo Delta con una fase a tierra. (Interruptores en los conductores no conectados a tierra)

Fig. 16.Conexiones de un Sistema delta con una fase conectada a tierra. Interruptor del circuito en el conductor conectado a tierra


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Violaciones de los Conceptos de Conexión a Tierra Algunos fabricantes de equipos electrónicos especifican un sistema de electrodo de tierra aislado y separado. Interpretan mal el verdadero significado del término tierra aislada. El verdadero significado es un conductor adicional, con aislamiento, que se extiende desde la entrada de servicio a tomacorrientes especiales, sin tocar ningún objeto metálico en su trayectoria. Su función es proporcionar una tierra libre de ruido para los aparatos electrónicos sensibles. Es un conductor de tierra adicional al conductor de tierra del equipo. Otros fabricantes de equipo insisten en la instalación de un sistema a tierra, separado, para su equipo (véase la figura F-17), y exigen que no se conecte al electrodo de tierra del edificio. ESTÁ PROHIBIDO, sin importar el argumento, la instalación de diferentes electrodos separados sin una referencia a tierra común. Eso representa una violación al Código Eléctrico Nacional – CEN – (Norma Venezolana COVENIN 200 ). Si se instala un sistema separado de electrodo de tierra del edificio DEBE INTERCONECTARSE al sistema existente en cumplimiento a lo previsto en la sección H de la norma COVENIN 200. Si dos sistemas a tierra no se conectan conjuntamente, lo cual es una violación de las normas del Código, se origina una situación extremadamente peligrosa. En caso de que uno de los sistemas se energice, ya sea debido a rayos, a condiciones de falla, etcétera, se pueden generar voltajes extremos entre los dos sistemas de electrodo de tierra, los cuales pueden provocar lesiones y aun la muerte. Todas las personas involucradas en esta falla del sistema tienen responsabilidad legal y pueden exponerse a una eventual demanda legal civil o un proceso jurídico criminal. Quienes proyectan la instalación también enfrentan tal eventualidad, por ejemplo si la impedancia a tierra fuera de 5 ohmios en cada electrodo y hubiese una impedancia en serie de 10 ohmios, para un servicio de 120 voltios, sólo se produciría una corriente de 12A. Este nivel de corriente no es lo suficientemente alta para efectuar el disparo del interruptor de circuito.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Fig. F-17 Violación del CEN (Sistemas separados de electrodos de tierra)

G. MÓDULO 6.- COMPORTAMIENTO de ELECTRODOS de TIERRA El diseñador de un sistema de puesta a tierra se enfrenta normalmente con dos tareas: Lograr un valor requerido de impedancia.  Asegurar que los voltajes de paso y de toque (contacto) sean satisfactorios para la seguridad principalmente de las personas. 

En la mayoría de los casos habrá necesidad de reducir estos valores. Inicialmente, el diseñador debe concentrarse en obtener un cierto valor de impedancia. Este valor puede haber sido definido por consideraciones de protección. Los factores que influencian la impedancia son:  

Las dimensiones físicas y atributos del sistema de electrodos de tierra. Las condiciones del suelo (composición, contenido de agua, etc.).

El sistema de puesta a tierra consiste en un material conductivo fuera del terreno (conductores de conexión, etc.), electrodos metálicos enterrados y el terreno mismo. Cada uno de estos componentes contribuye al valor de impedancia total. Es importante que se reconozca que las características del terreno afectan fuertemente y casi de manera determinante el comportamiento del sistema de puesta a tierra. La característica más importante del terreno es su resistividad, que se mide en ohmio-metro.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Las resistencias de contacto en las conexiones y en las interfaces entre materiales claramente deben mantenerse prácticamente en un mínimo. Además, el metal usado para las conexiones sobre tierra debe tener buena conductividad eléctrica y la propiedad superior del cobre determina su uso en la mayoría de las instalaciones. El sistema de electrodos metálicos presentará una impedancia al flujo de corriente que consiste de tres partes principales. Estas son:   

La resistividad del material del electrodo La resistividad de contacto entre el electrodo y el terreno y finalmente una resistividad dependiente de las características del terreno mismo.

La impedancia metálica del electrodo es usualmente pequeña y consiste de la impedancia lineal de las barras y/o conductores horizontales. Influyen sobre ella las propiedades del metal usado y la sección transversal. En términos eléctricos, el cobre es superior al acero y por tanto ha sido tradicionalmente el material preferido. G.1.

Efecto de la Forma, Tamaño y Posición del Electrodo

Una parte dominante de la impedancia de puesta a tierra se debe a la orientación física de los electrodos de tierra. Sin embargo la forma tamaño y posición del electrodo está determinada por las características del suelo en el cual está siendo instalado. Las características de forma, tamaño y posición del electrodo son determinadas por el modelo del suelo lo cual puede resultar en suelo con resistividad uniforme ó suelos de resistividad cambiante. La mayoría de los suelos presenta características cambiantes del suelo a diferentes profundidades. G.1.a. Influencia del Suelo sobre las Características del Electrodo Uno de las principales deficiencias en el diseño e implantación de sistemas de electrodos de puesta a tierra lo representa la pobre calidad de la información relativa al modelo de suelo. Cada diseño de electrodo de puesta a tierra debe ser precedido por un estudio de modelación del suelo en el cual será implantado. Aquí no caben aproximaciones ni


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A extrapolaciones debido a que cada suelo tiene características propias y específicas las cuales deben ser conocidas y analizadas. Los pasos básicos del estudio para determinar la modelación del suelo son los siguientes: 

Medición de Resistividad del Terreno



Modelación del suelo

Medición de Resistividad del Terreno La resistividad del terreno se puede definir como la impedancia del medio en el cual se encuentra ubicado o instalado el electrodo de puesta a tierra. El valor de impedancia del suelo (Resistividad) tiene carácter distribuido, es decir presenta valores cambiantes a lo largo de una trayectoria , debido a que la mayoría de los suelos no tiene valores uniformes de compactación, humedad, temperatura y concentración de sales en la estructura de capas que lo conforman. Es esencial conocer las condiciones particulares del suelo de interés para definir, según modelación, sus características conductivas. Para efectuar medición de resistividad del terreno existen distintos métodos:   

Método de los dos puntos

Método de los tres Puntos ó de Variación de la Profundidad

Método de los 4 puntos

Los detalles de aplicación de los métodos de medición se encuentran el documento IEEE-81 “ Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance and Earth Surface Potentials of a Ground System ” Acá se explicará brevemente el método de lo cuatro (4) electrodos o 4 puntos debido a que es el mas preciso de los métodos de medición y el mas popular.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A G.1.a.1

Método de los Cuatro (4) Puntos

Consiste básicamente en que 4 pequeños eléctrodos se entierran en el suelo a un profundidad “b” y espaciados una distancia “a” sobre una línea recta. Una corriente de prueba I se hace circular entre los electrodos externos y el potencial V se mide entre los electrodos internos. La relación V /I representa el valor de la impedancia medida. Existen variantes en la aplicación del método de medición.

G.1.a.1.1.1.

Electrodos con Espaciamiento Equidistante ó Método de Wenner

Este arreglo de electrodos se muestra en la figura G-1. Figura G-1: Disposición de Electrodos según el Método de Wenner Disponiendo los electrodos adyacentes a una distancia “a” la resistividad términos de longitud en la cual “a” y “b” son medidas es dada por :

ρ := 1

+

⎛ 2 ⎝

( 4⋅ π ⋅ a⋅ R ) a ⎞ ⎛

⋅

−

2

a

en

⎞

2

a + 4⋅ b ⎠ ⎝ a2 + b 2 ⎠

La expresión no aplica para electrodos de tierra instalados. Es válida solamente para pequeños electrodos de prueba. En la practica generalmente ocurre que el espaciamiento “a” “b” con lo cual la expresión se reduce y la resistividad se expresa como:

ρ := 2⋅ π ⋅ a⋅ R Donde, Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A resistividad del terreno en Ω-m a espaciamiento de los electrodo s de prueba R Resistencia medida , en Ω. Nota: Se considera “a” y “b” cuando se cumple que la profundidad de la varilla de prueba es igual a 0,1”a”

Mediante la expresión anterior se obtiene el valor de resistividad promedio del terreno a una profundidad “a” .

G.1.a.1.1.2.

Electrodos con Espaciamiento Desigual ó Método de Schlumberger - Palmer

Una desventaja del método de Wenner es el rápido decrecimiento de la magnitud del potencial entre los dos electrodos internos cuando el espaciamiento es incrementado a grandes valores, lo cual trae como consecuencia que muchos instrumentos comerciales sean incapaces de leer los bajos valores de potencial. Para medir resistividades con grandes espaciamientos entre los electrodos de corriente el arreglo de cuatro (04) electrodos pueden espaciarse en forma no equidistantes sobre una línea recta, tal como se muestra en la figura G-2. Figura G-2 : Arreglo de 4 electrodos dispuestos en forma desigual o no equidistantes

Si la profundidad “b” de los electrodos de prueba es pequeña comparada con los espaciamientos “c” y “d” la resistividad del terreno puede ser calculada mediante l a expresión:

R ρ := π ⋅ c ( c + d) ⋅ d


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Otras Variables que Influyen sobre el Electrodo de Tierra La tabla 13 del documento IEEE - 142 “Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems” presenta expresiones para calcular la resistencia de puesta a tierra de electrodos simples.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Para el caso de un electrodo vertical ( Barra de tierra) de longitud L, diámetro “a” instalada en un suelo de resistividad el valor de la resistencia de puesta a tierra será dada por la siguiente expresión :

L ⎡ ⎛ ⎤ ln 4⋅ − 1 a⎠ ⎦ ⎣ ⎝ R := ρ ⋅ 2

Expresión de valor de resistencia de PT de un electrodo de longitud L que el diámetro “a” π

⋅π ⋅L

Para afectar el valor de resistencia de interfase del electrodo se puede pensar en modificar las variables resistividad, longitud o diámetro del electrodo. Modificar la resistividad del terreno es lo que se persigue cuando se instalan electrodos de tipo electrolíticos o barras químicas. Una barra en hincamiento profundo modifica la longitud del electrodo buscando contactar las capas inferiores del suelo con el objeto de acercarse a los niveles freáticos y mejorar la conductividad del contacto en base a humedad. Se ha demostrado en estudios y ensayos experimentales llevados a cabo que incrementar el diámetro tiene pocos beneficios prácticos. El uso de electrodos horizontales ha probado ser más eficiente como electrodo de puesta a tierra (Interfase de tierra). Estos electrodos se conocen como “Mallas de Tierra” y generalmente es el método mas efectivo para reducir la resistencia de puesta a tierra. Los arreglos reticulados de electrodos horizontales (mallas) se usan solos o combinados con electrodos verticales. Las consideraciones de diseño del electrodo están directamente relacionadas con las modelación del suelo.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A H. MÓDULO 7.- FALLAS a TIERRA H.1.   

Objetivos.

Explicar que son las fallas a tierra Explicar Como se produce la circulación de corrientes de falla a tierra por el electrodo de Tierra Conocer el efecto de Circulación de Corrientes de Falla a Tierra

El término falla es usual en la materia de tierra. Una conexión a tier ra no previene una falla, pero una puesta a tierra correcta puede limitar el tiempo de la falla, y por lo tanto restringir la duración del peligro. Una falla puede ocurrir en el lado de la línea o en el dispositivo de protección debido a sobrecorrientes en el servicio. H.2.

Fallas a Tierra.

En los sistemas eléctricos pueden ocurrir dos tipos de fallas eléctricas. Falla de tipo directa representada por las de tipo fase-fase ó fase -neutro y fallas a tierra , representadas estas fallas por las que ocurren cuando un condu ctor de fase se conecta a tierra de manera accidental o fallas de tipo externo al sistema representadas por descargas atmosféricas. Una falla a tierra del sistema ocurre cuan do el conductor de fase se conecta a tierra. Figura H1.- Tipos de Fallas


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Las fallas eléctricas provocan la aparición de sobrecorrientes. Algunos dispositivos de protección contra sobrecorrientes son diseñados para enfrentar exclusivamente sobrecargas, y otros están diseñados para brindar protección contra sobrecargas y sobrecorrientes. Corriente de sobr ecarga es aquella que sobrepasa la capacidad nominal del cable o conductor pero que no causa daños de manera inmediata. De persistir en el tiempo la condición de sobrecarga se originan daños permanentes al equipo o al aislamiento. Una sobrecorriente es presencia de altos y muy altos valores de corriente en el circuito, debido a una falla o cortocircuito, los cuales causan daños severos en muy corto plazo. Siempre existe la posibilidad de que se presenten un corto directo o una falla a tierra, y se requiere que ambos tipos de fallas sean consideradas al seleccionar el dispositivo de protección contra sobrecorriente para interrumpir la corriente de falla. Las corrientes de falla de miles de amperes pueden ocurrir en un sistema eléctrico bien diseñado. Esto puede producir voltajes extremos en el punto de falla, si no se usa un conductor a tierra con el calibre adecuado. Por razones de seguridad personal, esta corriente de cortocircuito debe interrumpirse de inmediato mediante un fusible de protección o interruptores automáticos. Los fusibles e interruptores automáticos protegen contra las fallas de línea-aneutro, como las fallas de línea-a-tierra. Por consiguiente, la trayectoria de retorno a tierra debe tener una baja impedancia para que no se limite la corriente de falla a un valor que pueda prevenir el disparo inmediato del dispositivo de protección. Con el fin de proteger vidas humanas, la corriente de falla debe tener un valor inferior a 6 veces la corriente del interruptor o la capacidad de corriente del fusible. Cuando un conductor se usa como conductor de tierra del equipo, debido a los herrajes de conexión, si éstos se aflojan, se presenta una condición de alta impedancia para la corriente de falla.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A H.3.

Efectos de las Fallas a Tierra.

Cuando ocurre una falla, la corriente de esta causa ciertas fatigas en el equipo, las cuales son eléctricas, magnéticas, mecánicas y termodinámicas. En la figura H-2 se muestran distintos tipos de fatigas que originan las fallas.

Figura H-2: Efectos de Fallas

La fatiga eléctrica ocurre cuando una línea de alto voltaje ca e sobre una línea de bajo voltaje y el aislamiento del cables cuya capacidad es por ejm. de 600 voltios se expone a voltajes mayores. Esto causa daños y rotura del material aislante del conductor en el punto de contacto y muy probablemente en algunos otros sectores en los cuales el aislante se encuentre debilitado. La presencia de un cortocircuito o una falla a t ierra señala la existencia de una corriente elevada. El campo magnético que produce el flujo de corriente es directamente proporcional a la corriente que fluye en el circuito. Los campos magnéticos tienen las dos polaridades y funcionan como los polos norte y sur. En Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A el caso de las barras y componentes del equipo de servicio, con polos diferentes se atraen y polos del mismo signo se repelen. Una falla mecánica en un tablero de distribución puede causar que una barra de fase A y otra de fase B tengan propiedades magnéticas iguales y se repelan mutuamente. Esto puede provocar que los campos magnéticos adquieran la fuerza necesaria para desprenderlas barras de sus soportes. Las corrientes de falla pueden ser extremadamente alta s y generar campos magnéticos muy elevados debido a que este es directamente proporcional a la corriente que circula en el conductor. Ya que parte de la energía se disipa en forma térmica, debido al efecto de pérdida de potencia, el flujo de una corriente que circula a través de un conductor genera calor, por lo que entre mayor sea la corriente mayor será el calor y mayor la impedancia, y este calor es capaz de producir incendios. Asimismo, las sobrecorrientes pueden causar daños a los equipos. Por ejemplo, una falla en la compañía de luz y fuerza puede producir un voltaje mayor que el de la capacidad del servicio. Entre mayor sea el voltaje mayor será la sobrecorriente producida. Es muy frecuente que las sobrecorrientes en equipos electrónicos sean producto de la inducción electromagnética o interferencias electromagnéticas (EMI). Estas sobrecorrientes pueden causar picos en la onda senoidal, los cuales pueden ser de valor mucho más altos que el voltaje normal. Un sobrevoltaje transitorio puede destruir componentes y sistemas. La mayoría de los equipos actuales se están fabricando con componentes microelectrónicos con densidades de componentes nunca antes vista s; éstos operan a bajos voltajes y sólo pueden resistir voltajes similares. En ciertos casos algunos equipos operan a voltajes menores de un voltio y tan sólo un voltio p uede dañarlos. H.3 .a.

Ionización.

Por otro lado es habitual que cuando ocurre una falla, se produzca un arco. El aire está considerado como un buen material aislante, y a menudo se usa para el aislante entre barras colectoras o cuando es necesario utilizar alambres desnudos. Las corrientes de falla provocan que el aire circundante se ionice. Cuando e l aire se ioniza se convierte en un conductor que facilita el flujo de corriente. Es lo mismo que ocurre cuando se produce la apertura de los contactos de un interruptor o de un contactor. Existe un estado transitorio en el cual se produce un Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A arco lo cual no es mas que la ionización del aire y por consiguiente un estado de conducción del aire. H.4. Fallas en Sistemas Conectados a Tierra

Figura H-3.- Sistema de alimentación sin cable de neutro

Figura H-4.- Sistema de alimentación sin cable de neutro y falla fase-fase


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Figura H-5.- Sistema de alimentación sin cable de neutro y falla fase-Tierra. Trayectoria de la corriente de falla

Figura H-6.- Sistema de alimentación con cable de neutro y falla fase-Tierra. Trayectoria de la corriente de falla


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A En las figuras H3 y H4 se aprecia que en el caso de falla fase – fase existe un camino de baja impedancia que facilita la circulación de la corriente de falla y la rápida operación del interruptor de protección. La corriente de falla será aproximadamente 1.73Vlt If := ( Zl1 + Zl2) Para el caso de falla a tierra , ver figura H5, la corriente de falla será expresada como : Iflt :=

Vlt ( Zl2 + Z2 + Z3 + Z4)

Donde: If: Corriente de falla – (Caso falla línea-línea) If lt: Corriente de falla línea-tierra Vll: Tensión entre líneas Vlt: Tensión de línea a neutro. Su valor es de 0,58 Vll ( Sistema Trifásico Equilibrado) Si se asumen las impedancias iguales se tiene que: If := 0.865⋅

Vllt

Corriente de Falla Fase-Fase

Z

La corriente de falla a tierra será Iflt := 0.25⋅

Vlt Z

Al comparar las corrientes se aprecia que

If Iflt

:= 3.46

O sea que la corriente de falla a tierra en el caso de que no exista neutro alcanza solo un valor de 29% el valor de la corriente de fase. Esa situación compromete la operación de las protecciones para el caso de fallas a tierra y pue de ser de alto riesgo


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A debido a que el sistema se puede mantener energizado con una falla a tierra presente. Al instalarse el conductor de neutro, ver figura H6, la corriente de falla a tierra alcanza un valor muy cercano al de la corriente fase-fase y permite la rápida operación de las protecciones. La corriente de falla (Con cable neutro instalado) sería aproximadamente

Iflt := 0.5⋅

Vlt Z

Al compararla con la corriente de falla fase-fase se aprecia que la corriente de falla a tierra alcanza un valor de aproximadamente 58% de la corriente de falla fasefase y esto tiene como consecuencia una rápida operación de las protecciones ya que al simplemente conectar el neutro prácticamente se duplica la corriente de falla a tierra pasando a 29% al 58% If H.5. Fallas en Sistemas Aislados de Tierra Este es el caso para sistemas por ejemplo conectados en Delta (). En estos casos las fallas a tierra solo tienen retornos de corrientes a través de los acoplamientos capacitivos que se distribuyen a lo largo del cable. Los valores de corriente de falla son imperceptibles para las protec ciones de fase y estas solo tendrán oportunidad de operar si ocurre una segunda falla a tierra en el circuito, debido a que ahora existirá una falla de tipo bifásica a tierra. Es muy común que al ocurrir una falla a tierra en un sistema en DELTA se produzca una segunda falla debido a que ocurre un desplazamiento de voltajes que origina un esfuerzo dieléctrico en el aislamiento y generalmente ocurre otra falla a tierra en poco tiempo. Cuando ocurre la segunda falla actúan las protecciones del circuito porque se produce una alta circulación de corriente de falla. Para el caso de la primera falla el desplazamiento de voltajes ocurre de la forma siguiente: La fase fallada estará al potencial de tierra (0 Voltios) y las fases restantes (por ejm. B y C) aprecian el valor de voltaje de línea entre fase y tierra. Es decir ocurre una elevación del 173% del voltaje normal entre fase y tierra. Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A I. MÓDULO 8.- PUESTA a TIERRA de EQUIPOS SENSIBLES I.1. 



Objetivos

Conocer las prácticas aceptadas por las Normas y la industria para la disposición de los sistemas de tierra que sirven sistemas de computación, instrumentación y telecomunicaciones entre otros sistemas sensibles. Conocer el verdadero significado de la tierra separada o tierra dedicada, es decir la referencia cero del circuito

I.2.

PUESTA a TIERRA de SALAS de COMPUTADORAS

I.2.a. Características de la Energía Disponible La utilización de computadoras o equipos con componentes electrónicos digitales crece continuamente, ya sea en controles de tráfico aéreo, vehículos de despacho de emergencia, administración de hospitales, contro l de procesos industriales y control de comunicaciones. La seguridad pública puede resultar afectada por los fallos de los sistemas de computadoras. Ningún equipo electrónico es inmune totalmente a las interferencias y perturbaciones. Sin embargo la sensibilidad puede variar de un equipo a otro y de un tipo de perturbaciones a otro. Las interferencias o perturbaciones de alta energía pueden causar fallas catastróficas o mal funcionamiento de algunos componentes. Las perturbaciones menores tal vez no dañen los equipos, pero pueden corromper las señales de lógica y causar errores en los datos o señales de control. Las perturbaciones que afectan computadoras son numerosas y pueden comenzar a enumerarse por la calidad de la fuente de alimentación. En la mayoría de los países de Latinoamérica la frecuencia de operación es de 60 Hz pero la calidad de suministro no es óptima por lo que a menudo se presentan problemas en los sistemas de computadoras. De la misma forma fuentes independientes de potencia como generadores diesel o motores eléctricos no tienen la estabilidad que ofrece una central eléctrica. El resultado por lo general es un mal funcionamiento y deficiente desempeño de equipos electrónicos. En forma general los límites en los cuales se espera que la fuente de voltaje pueda variar sin tratamiento especial es aproximadamente –13% a +5,8%. El voltaje de línea no debe variar mas allá de –10% a +3% del valor nominal


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A R A I.2.b. Tierra de Referencia Cero del Sistema La expresión "tierra del sistema" se refiere a un cable o alambre aislado, separa do y dedicado que tiene aislamiento color verde o verde con rayas amarillas, que está conectado a tierra y se instala para computadoras y equipos que cuentan con microprocesadores. Este conductor de conexión a tierra también es un conductor adicional para la seguridad, lo cual se ilustra en la figura I-1. El propósito de este "sistema" a tierra es proporcionar un sistema "limpio", libre de ruidos (interferencia electromagnética), de referencia cero de tierra para las fuentes de alimentación de cd y datos. La sección 250-146(d) y la sección 384-20 del Código Eléctrico Nacional permiten que un conductor de puesta a tierra de equipo se instale desde el punto de unión neutro/tierra (equipo de servicio o terminal X 0 de una fuente derivada separadamente) hasta el equipo, o a los receptáculos aislados a tierra para el equipo. Este conductor de tierra aislada, debe instalarse con los conductores del circuito, el conductor neutro y el conductor de tierra de seguridad y podrá pasar o cruzar a través del tablero o panel de control como se describe en las secciones citadas y en la sección 250-96(b).

Figura I-1 Disposición de cables para sistema de Tierra aislada


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A R A La instalación del conductor de tierra del sistema no se conecta conecta al conducto o tableros de distribución secundarios por los cuales se desplaza, sino que solo termina en los bloques de terminales “aislados”, en el cable aislado principal de tierra u otra “tierra aislada” o receptáculo, en la tierra aislada (lógica) del equipo y en el punto único de unión de la fuente de energía, tal como se muestra en la figura I-2

Figura I-2: Tierra I-2: Tierra Aislada Es claro lo que se muestra en las figuras I-1 e I-2: La tierra aislada consiste en el uso de un cable de interconexión instalado apropiadamente y derivado entre el punto de interconexión común de la fuente de energía y las tierras de referencia lógicas de los equipos. Tierra aislada NO SE TRATA de un sistema de tierra distinto y ese es el principal TABU y error de concepto que debe ser desmontado cuando se instalan y aplican sistemas de puesta a tierra en equipos y sistemas sensibles. El uso de sistemas de tierra erra diferentes es la principal causa de fallas y mal funcionamiento en los equipos electrónicos sensibles ante perturbaciones de alta o baja energía.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A R A I.2.c. Conexión a Tierra para la Operación Computadoras y otros Sistemas Sensibles

Confiable

de

las

El concepto de punto único de conexión a tierra se ha establecido como estándar para realizar la conexión a tierra para equipos electrónico sensible. Es de suma importancia establecer un punto único de referencia de tierra para lograr la confiabilidad de un equipo y una satisfactoria operación d e los sistemas de cómputo y otros modernos sistemas electrónicos. Documentos como el IEEE1100 “Recommended “Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment” establecen al punto único como la práctica recomendada y la experiencia industrial ha demostrado lo correcto de la aplicación. La confiabilidad y operación de un sistema computarizado mejorará utilizando esta técnica, la cual se basa en el mantenimiento de un plano equipotencial para todos los equipos y así evitar diferencias peligrosas de voltaje que puedan afectar el buen funcionamiento del equipo electrónico. Es un hecho que algunos sistemas no operan si no se cuenta con esta técnica. La acometida del edificio debe ser la referencia inicial para el sistema de un solo punto a tierra. Es aún más conveniente establecer un punto único de unión neutro (tierra) para el sistema computarizado, ya sea en el dispositivo de tratamiento de potencia del sistema o en el secundario del transformador reductor. Siempre es necesaria la instalación de un transformador de aislamiento tan cerca de la computadora o sistema de procesamiento de datos como sea posible debido a la impedancia que presentan los conductores largos, lo que genera diferencias de potencial a lo largo del conductor y como consecuencia presenta ruidos eléctricos e interferencias que afectan los equipos electrónicos. Esta fuente derivada separadamente aísla al sistema eléctrico de los ruidos en el sistema de alimentación del edificio. Se recomienda que el sis tema de tierra del equipo electrónico de la sala de computadoras, que está instalado en el secundario del transformador se conecte al sistema de tierra del edificio. Esto se hace para establecer un cortocircuito entre los sistemas de tierra y mantener así todo el sistema al mismo potencial ante la eventualidad de descargas atmosféricas u otros efectos causados por corrientes de tierra. La figura I-3 ilustra en forma esquemática el punto único de conexión a tierra de una sala de computadoras.


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Figura I-3 Punto Único de Conexión a Tierra en una Sala de computadoras.

En la figura I-3 se muestra el secundario del tran sformador ubicado cerca del equipo de procesamiento de datos; el secundario se conecta a tierra en un punto único y los equipos se conectan a este punto, que puede estar ubicado en el transformador o en un tablero secundario. En muchos casos el fabricante de un equipo electrónico especifica un sistema "dedicado" a tierra -el cual se refiere al sistema denominado tierra aislada especificado antes. En sus instrucciones de instalación del sistema incluye diagramas para la conexión de los dos sistemas de tierra: La “Tierra de Seguridad” y la “Tierra Aislada” , aunque solo incluy en un solo terminal o accesorio eléctrico de conexión , en la armadura del equipo. Este único terminal incluido en el equipo del fabricante es común para los dos circuitos de tierra ( El de seguridad y el de tierra aislada) pero si ambos conductores de estos dos sistemas se conectaran a este único terminal la conexión de “Tierra Aislada” se perdería completamente. La tierra aislada es la tierra de referencia cero para a lógica digital y la mantiene libre de ruidos eléctricos. El propósito es mante ner los equipos eléctricos sensibles protegidos de los ruidos eléctricos producidos en los bucles de tierra y múltiples conexiones a t¡erra. Si la armadura metálica del equipo se fija al piso de concreto por medio de un perno y éste hace con tacto con las barras de refuerzo en el concreto -como en Ocasiones sucede- entonces se crea una trayectoria adicional. En este caso, lazos cerrados de corrientes de tierra pueden causar ruidos eléctricos que anularían por completo las ventajas de la "tierra aislada". El calibre del cable es crucial para los modernos circuitos electrónicos. El conductor de la "tierra del sistema" debe ser continuo, de calibre completo, con aislamiento y con forro aislante de color verde.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Los circuitos de lógica de las computadoras, de bajo-nivel y alta velocidad, requieren una impedancia baja y una referencia a tierra libre de ruidos eléctricos. Cuanto más grande sea el calibre del conductor de tierra del sistema, más baja será la impedancia de retorno al sistema de conexión a tierra del edificio. Cuanto más baja sea la impedancia la lógica será más pura (libre de ruidos eléctricos). El resultado es un mejor funcionamiento del sistema. Ningún sistema computarizado puede operar eficientemente sin un sistema a tierra de baja impedancia. Un sistema mecánico de tierra que usa conductos y paneles con conexiones deficientes no es totalmente satisfactorio. En el caso de los cables de tierra debe insistirse en las fo rmalidades previstas en los códigos y normas ya que eso evita errores y situaciones no deseadas. Así, cuando el forro aislante de color verde se usa para la tierra de seguridad, debe utilizarse aislamiento de color verde con rayas amarillas para la "t ierra del sistema". Un "solo calibre" significa un conductor de cobre de un calibre mínimo AWG#8 o del mismo calibre que los conductores portadores de corriente (conductores de fase). En muchas empresas sus normas establecen calibres mayores del cables , tal como por ejm. PETRÓLEOS de VENEZUELA (PDVSA) la cual establece en su documento normativo N-201, sección 17.5.18 a .24 lo siguiente: Computadores e Instrumentación 17.5.18 Los métodos de conexión a tierra para equipos y dispositivos para computadores y para instrumentación cumplirán con los requerimientos específicos de cada equipo en particular. 17.5.19 Los métodos de conexión a tierra para equipos y dispositivos para computadores y para instrumentación cumplirán con los requerimientos específicos de cada equipo en particular. 17.5.20 La puesta a tierra de computadores e instrumentación se harán con una sola conexión a tierra. E sto puede lograrse usando barras colectores de tierra conectadas a un solo grupo de electrodos de tierra. Este grupo de electrodos es entonces conectado a la malla de tierra de la planta. Las barras colectoras se aislarán de la malla de tierra de la planta a la cual están conectados los equipos. 17.5.21 La conexión entre las barras colectoras de tierra aisladas y el grupo de electrodos de tierra se hará mediante dos cables calibre 1/0 AWG o mayor, como mínimo. Dichos cables serán de cobre trenzado, cubierto con aislamiento de PVC, coloreado en verde. 17.5.22 El neutro del secundario de los transformadores que alimenten paneles de instrumentos o fuentes d e potencia ininterrumpida para instrumentación, se conectarán a las barras colectoras de tierra aisladas.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A 17.5.23 Cuando se usen cables apantallados en las termocuplas, las pantallas se conectarán a tierra como sigue: a. Para juntas de termocuplas conectadas a tierra: en el cabezal de las termocuplas. b. Para juntas de termocuplas no conectadas a tierra: en la barra colectora aislada del gabinete de control de las termocuplas.

17.5.24 Cuando se usen cables apantallados para señales, la pantalla se conectará a las barras aisladas de tierra del panel de alimentació n de potencia. Lo anterior demuestra consistencia entre los conceptos previstos en las normativas y practicas recomendadas y lo establecido por las em presas en sus prácticas de trabajo. Sin embargo, por razones probablemente de dificultades de difusión y comunicación efectiva de la información, la realidad de la industria es que existe gran cantidad de sistemas instalados en forma inadecuada, violando incluso sus propias normativas internas, lo cual conduce a graves errores de funcionamiento en los sistemas sensibles y a presentar alta vulnerabilidad ante condiciones de sobretensiones producto de fallas a tierra.

Figura I-4 : Puesta aTierra de Computado ras, según lo previs to en PDVSA

90619.1.091 “Puesta a Tierra y Protección contra Sobretensiones”


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Figura I-5 .- PUESTA A TIERRA DE INSTRUMENTACIÓN, ALIMENTACIÓN CON UPS, según PDVSA 90619.1.091

Figura I-5 .- PUESTA A TIERRA DE INSTRUMENTACIÓN, ALIMENTACIÓN desde Sistema de Potenci a, según PDVSA 90619.1.091 Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A I.2.d. Plano de Tierra ó Red de Referencia de Señales. Las corrientes de los rayos siguen la trayectoria de mínim a resistencia a tierra. Cuando un edificio recibe una descarga de este tipo, la corriente que fluye puede seguir como trayectoria la estructura metálica del inmueble, las líneas de energía, los conductos de cables u otros conductos metálicos. Si uno de estos conductores está cerca de una instalación de computadoras, pueden generarse diferencias significativas de potencial, a menos que se tomen precauciones especiales. Un pulso de 20000 amperes desarrolla 5000 voltios a través de 0.25 ohms. Esto es sólo 0.05 microhenrys a 1.0megahertz. Las diferencias de potencial de esta magnitud pueden destruir el equipo electrónico (hardware). Si todo el metal de un edificio se une cuidadosamente, la diferencia de po tencial minimizará y se reducirán las probabilidades de daños causados por los rayos. En una instalación típica de computadoras puede parecer que la confiabilidad del sistema de alimentación no concuerda con los requisitos de conexión a tierra . La tierra de seguridad que conecta los equipos forma lazos de tierra. Esto se combina con la necesidad de tierra para prevenir daños causados por los rayos. La apertura de uniones reduce el flujo de la corriente de ruido, pero esto se contrapone con las necesidades previamente descritas. Los inductores de separación se han usado, pero esta opción no ha sido vista favorablemente por las agencias reguladoras, debido a las altas impedancias a tierra que presentan a altas frecuencias. El dilema anterior se puede resolver usando un plano a tierra, adecuadamente diseñado, el cual puede servir como piso d e la sala de computadores. Una solución puede ser la utilización de una lámina metálica. Una lámina delgada de metal tiene una baja impedancia de superficie. Una lámina de 0. 03 mm de cobre tiene una impedancia en su superficie de 1 megohm por cm 2 a una frecuencia de 10 megahertz. Desafortunadamente es muy difícil fijar como soporte una lámina delgada de cobre por sus características físicas. Un método práctico es usar una rejilla de travesaños interconectados como soportes de suelo y plano de tierra. La cerámica del piso encaja en los travesaños permitiendo el acceso al interior del piso ( Piso Falso). En la figura I-6 se muestra detalles de un plano de referencia


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la sala de Control o Sala de Computadores

Fig ura I-6 : Plan o d e r efe re nc ia Inst a lad o bajo el lla m ado “pis o fals o” d e

Las intersecciones que conforman el plano de referencia se pueden construir de variadas formas. Tal como se muestra a continuación en la figura I-7.


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Figura I-7: Uniones de laminas que conforman el Plano de Referencia Los travesaños constituyen la estructura, la cual puede soportar el peso del equipo pesado. Dos requisitos esenciales son: 1.- Emplear travesaños atornillados .- los soportes laterales de sujección se instalan entre los pedestales de soporte 2.- Usar miembros compatibles (estaño o zinc), de manera que puedan efectuarse conexiones a presión de baja resistencia. Los travesaños usualmente se montan entre sí a distancias de 0.6m (2pies) de centro a centro. Esta clase de espacio entre los alambres de la rejilla parece una limitante para la operación de alta frecuencia del plano de tierra, sin embargo, el piso es adecuado para niveles inferiores a 30 megahertz. Si el diseño de la sala de computadoras es correcto, las señales de ruidos por encima de estas frecuencias son ignoradas o filtradas. Los travesaños en el piso de una sala de computadoras deben unirse con resistencias de valores inferiores a 1.0 millohm ( 1 Megaohm). Esto es necesario para que la rejilla funcione como una lámina delgada a bajas frecuencias. Estas conexiones de baja resistencia requieren atención detallada en su diseño e instalación.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Todas las conexiones deben realizarse con las superficies de metal limpias y mantenerse bajo presión al momento de unirlas. Cada conexión debe sellarse para prevenir la oxidación. Las uniones deben resistir las variaciones de cargas mecánicas y vibraciones del piso. La protección contra rayos requiere una trayectoria directa a tierra para cualquier conductor cercano al área del piso de la computadora. Una opción es proveer un anillo de tierra alrededor del edificio que debe conectarse a tierra en forma múltiple al piso de la sala de computadoras y su periferia. Todos los elementos metálicos se unen al anillo cuando cruzan el área del piso de la computadora. Esto incluye todos los conductos de cable, el acero del edificio y los demás conductos. Cualquier corriente inducida por rayos tomará una trayectoria hacia fuera del anillo y directamente a tierra. En el piso de las computadoras puede subir el potencial con relación al de tierra pero el potencial de todos los conductores subiría al mismo tiempo. Sin diferencia de potencial no se generan daños.

Figura I-8: Conexiones a Tierra en una Sala de Computadores


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A J. MÓDULO 9.- DISEÑO BÁSICO de una RED de TIERRA J.1.  

Objetivos

Conocer los pasos básicos para definir un arreglo de electrodos de tierra Conocer los elementos requeridos para evaluar y medir impedancia de sistemas de Puesta a Tierra

El diseño de redes de puesta a tierra es una especialidad de la ingeniería eléctrica la cual ha tenido casi en su completo desarrollo una base empírica. Los avances en modelación se han producido en los últimos 30 años principalmente por disponerse de equipos de computación que han facilitado la simulación de distintos modelos de suelo y de electrodos. Sin embargo, a pesar de los avances realizados y a la publicación de resultados de estudios en distintas fuentes de información incluyendo normas y papers técnicos de alto nivel como los elaborados por IEEE Transactions Aplications y el CIGRE, es común actualmente observar graves errores de diseño en los Sistemas de Puesta a Tierra (SPT) lo cual resta eficiencia o en algunos casos inhabilita el electrodo en su función de interfase entre la red eléctrica o la estructura y la tierra física y pone en riesgo la integridad física de personas e instalaciones. Es común ver las fallas y destrucciones originadas por armónicos y rayos en instalaciones eléctricas sensibles y en la generalidad de los casos al revisarse los diseños se concluye que existen deficiencias en su concepción y en muchos casos con el agravante de que su implantación también tiene defectos y las prácticas de inspección y mantenimiento, cuando existen, en muchos casos son inadecuadas. J.2.

Elementos del Diseño

Las bases para efectuar un diseño apropiado de un sistema de puesta a tierra (SPT) son varias: 

Aplicación para la cual se implantará el SPT.



Características Conductivas del suelo.



Requerimientos de Seguridad y protección de la integridad física de las personas

Es importante tener presente que el diseño de redes de tierra es específico para cada aplicación. Esto es debido a que cada suelo tiene características particulares las cuales son determinantes para establecer la topología y el arreglo de la red, tal como área horizontal requerida para implantar el electrodo, número de retículas,


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A longitud del electrodo horizontal, número de electrodos verticales, longitud de los electrodos verticales, entre otras cosas. Es un ERROR extrapolar mediciones de resistividad del terreno efectuadas en otra área y aplicarla en la modelación del suelo en el sitio de interés. J.2.a.

Aplicación del SPT

Este aspecto es fundamental. Debe tenerse presente que el comportamiento del electrodo es diferente para aplicaciones de drenaje de corrientes de baja frecuencia (60 Hz) que para aplicaciones de alta frecuencia ( Redes que sirven sistemas de Pararrayos y Sistemas de comunicaciones). Por lo tanto el modelo de circuital del electrodo es diferente. La razón de esto es que las componentes inductivas y capacitivas del electrodo cambian su valor junto con el cambio de la frecuencia, así : Reactancia inductiva XL = jWL, Reactancia Capacitiva:

XC := − j⋅

1 W⋅ C

Donde, W= Frecuencia (en radianes) definida por 2* 6*f L= Inductancia del electrodo en Henrios C= Capacitancia del electrodo en Faradios

con f=frecuencia en hz

Las normas clásicas de diseño de redes de puesta a tierra tales como IEEE-80, “Guide for Safety in AC Substation Grounding”, año 2000 solo consideran la aplicación a baja frecuencia ( la denominan frecuencia industrial) cuyo modelo es válido para corrientes en régimen permanente tales como fallas a tierra del sistema eléctrico de potencia. El modelo analizado por esta norma es solo de tipo resistivo – ver figura J-1.

R

Figura J-1: Modelo de Electrodo Vertical de Tipo Resistivo


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Para el caso de redes de tierra sometidas altas frecuencias el modelo que debe aplicarse es aquel que combina resistencias, inductancias y capacitancias, tal como se muestra en las figuras J-2 y J-3 siguientes. El análisis de los modelos de electrodos tomando en cuenta los parámetros distribuidos de inductancias y capacitancias son complejos y requiere disponer de herramientas computarizadas para su definición. Sin embargo, es la mejor solución debido a que muestra en todo el espectro de frecuencias el comportamiento del electrodo diseñado. No debe perderse de vista que cualquier SPT instalado puede ser afectado por un rayo el cual es una falla que combina altas y bajas frecuencias y que tiene característica de ocurrencia aleatoria con un alto grado de destrucción y de formación de potenciales de toque y de paso lo cual debe ser previsto en el diseño por las razones de seguridad a las personas que ello significa.

L

R

Figura J-2 : Modelo Completo del Electrodo (Vertical) de Tierra

C


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Figura J-3 : Modelo Completo del Electrodo (Horizontal) de Tierra

El modelo definido por IEEE-80 aplica solo para fallas del sistema eléctrico de potencia en el rango de los 50-60 Hz. Las aplicaciones de SPT que sirven sistemas de pararrayos y sistemas de comunicaciones , tales como antenas de microondas y similares deben realizarse bajo el análisis de parámetros distribuidos como los mostrados en las figuras J-2 y J-3. Esas aplicaciones están fuera del alcance de lo previsto por IEEE-80 y del alcance de este curso básico. J.2.b.

Características Conductivas del Suelo

Estas se obtienen a partir de mediciones de resistividad del suelo realizadas en sitio mediante métodos aceptados tales como el de los 4 electrodos, explicado en la sección G1 del módulo 6. A partir de la toma de datos en sitio se obtienen curvas de resistividad aparente del suelo las cuales deben ser sometidas a análisis y consideraciones de modelación que acerque la información a una versión mas real de las características del suelo en estudio. La razón por la cual los valores de resistividad obtenidos en sitio son insuficientes para determinar el modelo de suelo es porque las consideraciones teóricas del modelo de medición aplicado generalmente ( 4 electrodos) considera que la corriente inyectada en el suelo, para efectos de medición, se distribuye en forma uniforme en un volumen de suelo que conforma un cubo cuyo lado es igual a la separación de los electrodos de prueba. Es decir el modelo de medición parte del hecho de que los valores se obtienen en un suelo de resistividad homogénea. La experiencia práctica ha demostrado que los suelos bajo estudio, en mas del 90% de los casos, no presentan resistividad homogénea, si no que están compuestos por capas de distintos valores de resistividad, la cual varía por razones Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A como humedad no uniforme, temperatura distinta, geología y compactación del suelo diferente a distintas profundidades. Sin embargo la experiencia práctica ha demostrado también que los valores de resistividad aparente obtenidos muestran la tendencia real de comportamiento del suelo, pero no es posible definir de manera directa los espesores de las distintas capas del suelo y los valores de resistividad de cada una. Así, en los términos prácticos es aceptado como mínimo para el diseño de un electrodo de puesta a tierra una modelación mínima de suelo basado en dos capas y en la medida en que se disponga de herramientas de computación y que la necesidad de la aplicación así lo requiera se puede ir aumentando el nivel de precisión del modelo hasta llevarlo una representación multicapa del suelo. Las figuras siguientes muestran la secuencia de estudio de campo y modelación a dos capas realizado para la evaluación del comportamiento del suelo en una planta petrolera en el Sur-Oeste del Edo. Monagas en Venezuela. La figura J-4 muestra la información básica de resistividad aparente obtenida en campo. Para los efectos prácticos de las mediciones, estas deben efectuarse sobre un rectángulo cuya área sea igual o mayor al área que se desea proteger con el electrodo de tierra. Sobre ese rectángulo deben efectuarse mediciones en no menos de dos y preferiblemente tres direcciones distintas , por ejm longitudinal, transversal y diagonal de forma que se cubra todo el área y ello permita apreciar el comportamiento del suelo en sus distintas variaciones de tipo lateral . La figura J-5 muestra las curvas de resistividad aparente Vs. espaciamiento de electrodos. El análisis de la figura muestra que el suelo tiende a ser de tipo biestratificado, con capas de muy alta resistividad siendo la superficial la capa de mayor resistividad. Es decir ese suelo en particular puede ser modelado a dos capas con una precisión razonable y presenta de manera aparente muy altos valores de resistividad ( ≥ 8000 Ω-m) en las capas superficiales con una tendencia a disminuir en las capas mas profundas (≥ 20 m) sin embargo se mantiene muy altos valores de resistividad en el suelo (≥ 2000 Ω-m). Basados en esa información se procedió a modelar el suelo a dos capas obteniéndose los resultados mostrados en la figura J-6.


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Figura J-4 – (Resistividad Aparente) Valores de Campo


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Figura J-5 – Curvas de Resistividad Aparente

Figura J-6: Resultados de Modelación desuelo a Dos (2) Capas.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A Los resultados de este caso en particular muestran que el electrodo de tierra o el grupo de electrodos a ser diseñado(s) debe(n) disipar corriente en las capas inferiores del suelo en vez de las superiores y para ello es recomendable usar electrodos verticales del tipo hincamiento profundo con longitudes mayores de 7,5 m. ya que ese es el espesor de la capa superior la cual es de muy alta resistividad.

J.2.c.

Requerimientos de Seguridad y protección de la integridad física de las personas

Los requerimientos de seguridad y protección de las personas implica que el diseño cumpla con los valores mínimos de la resistencia de puesta a tierra en el electrodo de manera que al momento de circular la máxima corriente de falla esperada los potenciales de toque y de paso desarrollados sean inferiores a los valores considerados seguros. Ejemplos de detalles de cálculo se encuentra en IEEE-80, año 2000. Este documento basa sus criterios de diseño en la corriente que puede soportar una persona con un peso de 70 kg.


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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A PLANTA de COMBUSTIBLE EL GUAMACHE NUEVA S/E ELÉCTRICA 13800-480 V- 1000 kVA

INSTALACIÓN

CALCULO DE RED DE TIERRA Según IEEE-80 , Año 2000 126.114 0.09265

Longitud Total de Conductor (m)

Diámetro del Conductor (m) Diámetro de las Jabalinas (m)

Area Total (m^2) Resistividad 1 (ohm*m) Resistividad 2 (ohm*m)

Conductor Jabalinas

64.26 41.4 150 0.15 0.45 3000 -0.5674

Espesor de la Capa Superficial (m)

Profundidad de la malla (m) Resistivida d Super fi ci al Factor de Reflexion

Resistencia de Puesta a Tierra (ohm)

126.114

Dimensiones (m) Largo Ancho Adic

2.406

PARAMETROS DE SEGURIDAD PERMISIBLES Icc (monofásico) (A) Factor decremental Número de conexiones Peso Considerado (kg) Duración del Shock (s) Potencialde Paso (v) Pot en ci al de Toque (v) Cs

N° de Conductores

6.3 10.2

Dimensiones (m)

9.3 6.62

N° de Jabalinas 0

21000 1 70 70 2 1594.78 481. 9568 0.742519

N

1.228915663

PARAMETROS DE LA MALLA n Kii Kh Km Ki Ks Em Es

7.8464 0.495705 1.204159 0.171012 2.005581 0.797785 292.9502 1366.639

(%)

85.69453 Es un diseño seguro pues Estep es menor Etolerable de paso' 60.78351 Es un diseño seguro pues Emesh es menor Etolerable de Toque'

RESULTADOS Es vs. Potencial de Paso

Em vs Potencia l de Toque (%)

2.4

Resistencia de P uesta a Tierra (ohm)

Tabla 1. Resumen de Resultados Permisibles Calculados

Diferencia %

Segun IEEE 80 Rmalla de Planta (Ohm.) Potencialde Paso (V) Potencial de Toque (V)

<5

2.41

1594.78 481.96

1366.64 292.95


16.69 64.52

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A La figura anterior muestra los resultados de cálculo efectuado para una SE Eléctrica diseñada en el Edo. Nueva Esparta, Venezuela, basado en IEEE-80. Se aprecia que era requerido un valor de 5 Ω o menos como impedancia de puesta a tierra, 1595 y 482 V aprox. de voltajes de toque y de paso. Los valores calculados de diseño muestran 2,41 Ω de impedancia de puesta a tierra, 1367 y 293 Voltios aproximadamente de potenciales de toque y de paso, lo cual es menor a lo requerido y por lo tanto se puede concluir que el diseño se considera seguro a la integridad física de las personas.

J.3.

Medición de Sistemas de Puesta a Tierra

Los lineamientos y procedimientos de medición de SPT son expuestos en el documento IEEE-81 “ Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System” , año 1983. Las conexiones a tierra en general son impedancias complejas que tienen componentes resistivos, capacitivos e inductivos los cuales afectan la capacidad del electrodo de conducir corriente. La resistencia de la conexión es el valor predominante a frecuencia industrial porque esta afecta la resistividad del terreno en le área de la conexión. Los valores de capacitancias y las inductancias son las de mayor influencia con las altas frecuencias tales como las asociadas a señales de radio, comunicaciones y descargas atmosféricas. Las mediciones de impedancia de tierra se efectúan con el objeto de: Determinar el valor actual de impedancia del sistema  Verificar cálculos teóricos del diseño  Verificar los potenciales de tierra y su variación en un área cuando ocurre una falla eléctrica a tierra.  Apreciar la apropiada conexión a tierra del sistema de protección contra rayos y de transmisión a de información alta frecuencia.  Para obtener datos necesarios para el diseño de protecciones de edificios, los equipos y las personas 

Debido a que el o los electrodos que conforman el SPT de tierra se instalan generalmente directamente en el suelo en contacto con distintos tipos de terreno y expuestos a condiciones variables de humedad, temperatura, compactación del suelo, etc, el valor de impedancia cambia con las estaciones y eso es uno de los aspectos fundamentales de las mediciones. Determinar que los cambios en los Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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GEENNEER A dee P PUUEESSTT A a T TIIEER CURSO: C COONNCCEEPPTTOOSS G R ALLEESS d A a R R R A A valores de impedancia que se producen en las distintas épocas del año sean tales que se mantengan dentro del rango aceptable de valores del diseño es uno de los principales objetivos de las mediciones. Cuando las mediciones determinan que el SPT se encuentra fuera del rango de valores aceptable, la experiencia práctica y los cálculos han determinado que ampliar el tamaño (área) de una red de tierra da mejores resultados que incorporar electrodos de tipo vertical. Para el caso de redes y torres de comunicaciones el uso de contrapesos radiales en la base de la torre ha demostrado ser una solución apropiada.

J.3.a. Métodos de Medición de Sistemas de Puesta a Tierra Aunque existen varios métodos de medición tales como el de los dos puntos, tres puntos, relación, entre otros; el método de medición mas popular para sistemas de tamaño pequeño y mediano es el denominado de Caída de Potencial. Debe su popularidad a la facilidad de implementarlo y a la precisión de los resultados obtenidos. Para SPT de gran tamaño o extensamente interconectados se aplican técnicas especiales de medición las cuales no serán consideradas acá. J.3.a.1

Medición de SPT mediante Método de Caída de Potencial

A través de este método de medición se obtiene el valor de la impedancia del sistema. Consiste en hacer pasar una corriente a través del electrodo bajo prueba y apreciar la influencia de esta corriente, en términos de voltaje entre el SPT de interés y el electrodo de potencial de prueba.


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Figura J-6: Disposición de Electrodos para Aplicar método de la Caída de Potencial

La corriente circulante entre el electrodo bajo prueba E y el de corriente C (Electrodo de referencia ubicado a una distancia teóricamente infinita del electrodo bajo prueba) produce variación de los potenciales superficiales. La variación del perfile de potencial a lo largo de la dirección C,P,E se muestran en la figura J-7. Los potenciales se obtienen usando el electrodo P dispuesto en distancias variables a lo largo de una línea recta entre el electrodo bajo prueba E y el electrodo de referencia C. La relación V/I ( Potencial medido/Corriente Inyectada) es la impedancia aparente en los distintos puntos a lo largo de la línea de prueba.

Figura J-7: Resistencia Aparente Vs. Espaciamientos Autor: JUVENCIO MOLINA Fecha de creación 06/11/2007 10:38:00 p.m.

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CONCEPTOS GENERALES DE PUESTA A TIERRA-JUVENCIO MOLINA.pdf

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