PUESTA A TIERRA 1. Introducción
La puesta a tierra es una de las medidas de seguridad. Suele estar acompañada de otras medidas (relés, diferenciales, etc.) que garanticen un alto nivel de seguridad en las instalaciones. La puesta a tierra se basa en la propiedad de que las cargas eléctricas (electrones) siempre intentarán alcanzar valores energéticos mínimos para estar en equilibrio. La tierra es el punto de potencial cero, masa o energía mínima que mejor se adapta a los requisitos de las instalaciones eléctricas, siendo utilizada como tensión de referencia o tensión neutra. No obstante, el valor de este potencial no es constante en todos los terrenos, viéndose influenciada por corrientes telúricas u otras anomalías del substrato. Tampoco la resistividad del terreno es igual y uniforme para los distintos terrenos, dependiendo de los materiales que lo forman. Ni tan siquiera para un mismo tipo de terreno, los valores de la resistividad se mantendrán constantes a lo largo del año, variando desde valores mínimos en épocas lluviosas y húmedas, a valores máximos durante los periodos secos. Los materiales a conectar a una puesta a tierra serán las partes metálicas normalmente sin tensión. La conexión a tierra de partes no metál icas y por tanto no conductoras no produciría el menor efecto por la falta de continuidad. La conexión de partes metálicas normalmente en tensión resultaría del todo negativa, ya que las corrientes fluirían hacia tierra directamente (fuga a tierras), sin producir el trabajo al que están encomendadas. Los principales motivos por los que se realiza una correcta puesta a tierra, unida a un dispositivo de corte por intensidad de defecto, pueden sintetizarse en: Limitar las tensiones de las partes metálicas de los equipos o máquinas a valores no peligrosos para las personas. Asegurar, en caso de avería del material utilizado, la actuación correcta de las protecciones, de forma que la parte de la red averiada quede separada de las fuentes de alimentación, elimin ando los riesgos riesgo s propios de la avería. Impedir la acumulación de cargas electrostáticas o inducidas en los equipos, máquinas o elementos metálicos que se hallen en zonas con riesgo de explosión. Constituye un sistema de protección contra incendios, al limitar en tiempo y valor las corrientes de fuga.
La puesta a tierra actúa como único elemento protector en los siguientes casos: Contra las descargas atmosféricas o electroestáticas En redes con neutro aislado, como elemento de unión de las diferentes masas Como unión equipotencial
2.
Definición de puesta a tierra
La definición que realiza el reglamento eléctrico de baja tensión sobre puesta a tierra es: ´la denominación puesta a tierra comprende toda la ligazón metálica directa, sin fusible ni protección alguna, de sección suficiente, entre determinados elementos o partes de una instalación y un electrodo ó grupo de electrodos enterrados en el suelo, con objetivo de conseguir que en el conjunto de instalaciones, edificios y superficie próxima del terreno no existan diferencias de potencial peligrosas y que al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes de falta o de las descargas de origen atmosféricoµ. Este sistema de protección se basa en impedir que se produzcan tensiones o diferencias de potencial superiores a los 24 V, mediante la colocación de conductores paralelos a los conductores de fase, capaces de enviar a tierra cualquier corriente de fuga, de derivación, o las debidas a descargas atmosféricas. 3. C onceptos básicos Tierra de Protección. Los sistemas eléctricos se conectan a tierra con el fin de limitar la tensión que pudiera aparecer en ellos, por estar expuestos a descargas atmosféricas, por interconexión en casos de fallas con sistemas de conexiones superiores, o bien, para limitar e l potencial máximo con respecta a tierra, producto por la tensión nominal del sistema. Este tipo de conexión se denominará Tierra de Servicio. Tierra de Servicio. Los equipos eléctricos se conectan a tierra pata evitar que la carcasa o cubierta metálica de ellos represente un potencial respecto de tierra que pueda significar un peligro para el operario u usuario del equipo. Este tipo de conexión a tierra se denominará Tierra de Protección. Tierra de Referencia. Se entiende por tierra de referencia a la t ierra que se le asigna potencial.
Electrodo de Tierra. Se entiende por electrodo de tierra a un conductor (cable, barra, tubo, placa, etc.) enterrado en contacto directo con la tierra o sumergido en agua que este en contacto con la tierra. Mallas
de Tierra. Es un conjunto de electrodos unidos eléctricamente entre
sí. a Tierra. Es la conexión eléctrica entre una malla o electrodo en tierra y una parte exterior. Las partes de conexiones a tierra no aisladas y enterradas, se consideran como parte de la malla de electrodo. Conexión
Poner a Tierra. Cuando un equipo o instalación está conectado eléctricamente a una malla o electrodo a tierra.
Resistividad de un Terreno. Es la relación entre la tensión de la malla con respecto a tierra de referencia y la corriente que pasa a tierra a través de la malla. Superficial. Es la diferencia de potencial que existe entre dos puntos de la superficie del terreno o del agua, distante entre sí en 1 m. Gradiente
4. Resistividad de suelos
Se sabe por física elemental que la resistencia R de un conductor alargado y Homogéneo de forma cilíndrica vale: R = l/s Donde: R = resistencia. = resistividad. l = longitud del conductor en metros m. s = sección en metros cuadrados. La resistividad es una medida de la dificultad que la corriente eléctrica encuentra a su paso en un material determinado, pero igualmente se considera la facilidad de paso, resultando así el concepto de, Conductividad, que expresado numéricamente es inverso a la resistividad y se expresa en siemens-metro de modo que:
= 1/
La resistividad es una de las magnitudes físicas de may r amplitud de variación, como lo prueba el hecho de que la resistividad del polietileno supera a la del cobre en 23 órdenes de magnitud.
Las corrientes eléctricas que nos interesan no recorren conductores lineales (hilos y cables) como en las instalaciones y aparatos eléctricos usuales, sino que se mueven en un medio tridimensional por lo que debemos estudiar las leyes físicas a las que obedecen estas corrientes. Para hacer el problema fácilmente abordable desde el punto de vista matemático, habremos de estilizar las condiciones reales, suponiendo que el subsuelo se compone de varias zonas, dentro de cada una de las cuales la resistividad suponemos constante separado entre sí por superficies límite perfectamente planas. A pesar de esta simplificación, el problema es matemáticamente muy difícil y solo ha sido resuelto en casos muy sencillos. A continuación la tabla de tipos de suelos con sus respectivas resistividades.
5.
Medición
de la resistencia a tierra
Para medir la resistencia de esta Red Externa se utiliza un instrumento llamado Telurímetro cuyo principio de funcionamiento se basa en el hincado de 4 jabalinas a saber: las 2 extremas para la circulación de una corriente y las 2 centrales para la medición de tensión, de manera que el instrumento directamente indique el valor de resistencia, es decir el cociente entre tensión y corriente. ESQUEMA DE MEDICION DE PUESTA A TIERRA PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
INSTRUMENTO R TIERRA (Ohm) =
E
ES
S
VALOR DE TENSION VALOR DE CORRIENTE
H
A
V
JABALINAS AUXILIARES JABALINA O PUNTO A MEDIR LINEAS DE CORRIENTES
Regularmente se utiliza el método de las 3 jabalinas y para ello el borne E del instrumento se conecta a la jabalina ó punto a medir, mientras que los bornes S y H se conectan a los cables provenientes de 2 jabalinas auxiliares dispuestas alineadas entre sí y a cierta cantidad de metros del instrumento. Después se pone el selector en Re 3 polos y pulsando ´ START ´ se lee el valor de resistencia. El instrumento viene en una valija junto a todos sus accesorios El valor de la resistencia a tierra no debe exceder los 10 ohmios. Este límite superior es una directiva, pero
para muchas instalaciones los valores de resistencia requeridos pueden ser mucho menores. En plaza también se encuentran Pinzas Medidoras de Resistencia a Tierra Este método de medida es innovador ya que ofrece la posibilidad de medir l a resistencia sin necesidad de desconectar nada.
6.
Tipos de tratamiento químico
Existen diversos tipos de tratamiento químico para reducir la resistencia de un SPAT los más usuales son: Cloruro de Sodio + Carbón vegetal Bentonita Thor-Gel 6.1.
Características
principales de los tratamientos químicos
Ninguna Sal es estado seco en conductiva, para que los electrolitos de las sales conduzcan corriente, se deben convertir en soluciones verdaderas o en seudo soluciones, por ejemplo: el cloruro de sodio en agua forma una solución verdadera lo mismo que el azúcar, el mismo cloruro de sodio disuelto en benzeno formara una seudo solución o dispersión coloidal como también se le conoce. Cloruro
de Sodio + Carbón Vegetal
El Cloruro de Sodio forma una solución verdadera muy conductiva que se precipita fácilmente junto con el agua por efecto de la percolación, capilaridad y evapotranspiración; la solución salina tiene una elevada actividad corrosiva con el electrodo, reduciendo ostensiblemente su tiempo de vida útil, la actividad corrosiva se acentúa si el electrodo es de hierro cobreado (copperweld). Si bien es cierto que el cloruro de sodio disuelto en agua no corroe al cobre (por ser un metal noble) no es menos cierto que la presencia de una corriente elé ctrica convertirá al sistema, Cobre - solución cloruro de sodio, en una celda electrolítica con desprendimiento de cloro y formación de hidróxido de sodio en cuyo caso ya empieza la corrosión del cobre. El objetivo de la aplicación del carbón vegetal moli do (cisco de carbonería) es aprovechar la capacidad de este para absorber la humedad del medio, (puesto que el carbón vegetal seco es aislante) y retener junto a esta algunos de los electrolitos del cloruro de sodio que se percolan constantemente.
BENTONITA
Las bentonitas constituyen un grupo de sustancias minerales arcillosas que no tienen composición mineralógica definida y deben su nombre al hecho de haberse descubierto el primer yacimiento cerca de Fort Benton, en los estratos cretáceos de Wyoming en 1848; Aun cuando las distintas variedades de bentonitas difieren mucho entre sí en lo que respecta a sus propiedades respectivas, es posible clasificarlas en dos grandes grupos: Sódica.- En las que el ion sodio es permutable y cuya característica más importante es una marcada tumefacción o hinchamiento que puede alcanzar en algunas variedades hasta 15 veces su volumen y 5 veces su peso Bentonita
En las que el ion calcio es perm utable, tiene menor capacidad para absorber agua y por consiguiente solo se hinchan en la misma proporción que las demás arcillas. Bentonita Cálcica.-
Las bentonitas molidas retienen las moléculas del agua, pero la pierden con mayor velocidad con la que la absorben debido a la sinéresis provocada por un exiguo aumento en la temperatura ambiente, al perder el agua pierden conductividad y restan toda compactación lo que deriva en la pérdida de contacto entre el electrodo y el medio, elevándose la resistencia del pozo ostensible mente, una vez que la Bentonita se ha armado, su capacidad de absorber nuevamente agua es casi nula. THOR- GEL® Es un compuesto químico complejo que se forma cuando se mezclan en el terreno las soluciones acuosas de sus 2 componentes. El compuesto químico resultante tiene naturaleza coloidal, formando una malla tridimensional, que facilita el movimiento de ciertos iones dentro de la malla, de modo que pueden cruzarlo en uno u en otro sentido; convirtiéndose en un excelente conductor eléctrico.
Tiene una gran atracción por el agua, de modo que puede aprisionarla manteniendo un equilibrio con el agua superficial que la rodea; esto lo convierte en una especie de reservorio acuífero. Rellena los espacios intersticiales dentro del pozo, constituyendo una excelente conexión eléctrica entre el terreno (reemplazado) y el electrodo, asegurando una conductividad permanente.
THOR-
EL® tiene el Ph ligeramente básico y no es corrosivo con el cobre, por lo que la vida media de la puesta a tierra con el producto THOR- EL®, será de 20 a 25 años, manteniéndola de vez en cuando si la perdida de humedad es may scula y hay elevación de la resistencia eléctrica ¡
¡
¢
apli a i n del HO G El tratamiento consiste en incorporar al pozo los electrolitos que aglutinados bajo la forma de un Gel mejore la conductividad de la tierra y retenga la humedad en el pozo por un periodo prolongado de manera que se garantice una efectiva reducción de la resistencia eléctrica y una estabilidad que no se vea afectada por las variaciones del clima. La cantidad de dosis por metro cúbico de tierra del SPAT, varía de 1 a 3*, y está en función a la resistividad natural del terreno. Método de
7
Pa
tes de
ue
onsta
una puesta a tierra
Estos elementos los podemos agrupar de la siguiente forma: Terreno
Encargado de disipar todas las energías que a él accedan. Toma de tierra Parte enterrada en el terreno, formada por: Los electrodos Línea de enlace con tierra Punto de puesta a tierra Instala i n de puesta atierra Parte exterior al terreno, formada por: Línea principal de tierra o
tierra
Derivaciones 8.
de la línea principal de tierra Conductores de protección
Materiales
El material para los conductores de puesta a tierra deberá ser como se especifica a continuación: a)
Condu tor
de
puesta a tierra. Deberá ser de cobre. El material seleccionado deberá ser resistente a cualquier condición de corrosión que exista en la instalación o deberá estar adecuadamente protegido contra la corrosión. El conductor deberá ser sólido o cableado, aislado, cubierto, o desnudo y deberá ser instalado en un solo tramo, sin uniones ni empalmes, a excepción de las barras colectoras que sí pueden ser unidas.
b)
Tipos
ondu tores
protecci n. El conductor de protección instalado junto con los conductores del circuito, deberá ser uno o más o una combinación de los siguientes: de
de
Un conductor de cobre u otro material resistente a la corrosión. Este conductor deberá ser sólido o cableado; aislado, cubierto, o desnudo; y en forma de un conductor o de una barra colectora de cualquier forma. Tubería metálica pesada, tubería metálica intermedia, tubo metálico liviano o tubería metálica pesada flexible aprobada para el uso. Las armaduras y cubiertas metálicas de los cables. Las bandejas para cables Otras canalizaciones específicamente aprobadas para la puesta a tierra. c)
Puestas a tierra adicionales. Se permitirá el uso de electrodos a tierra adicionales para aumentar la sección de los conductores de protección especificados, pero la tierra no deberá usarse como único conductor de protección.
Conexi
n a los electrodos
El conductor de puesta a tierra deberá estar asegurado al accesorio de puesta a tierra por medio de terminales, conectores a presión, abrazaderas u otros medios adecuados. No deberán utilizarse
conexiones que dependan de soldaduras blandas. Las abrazaderas de puesta a tierra deberán ser adecuadas para los materiales del electrodo y conductor de puesta a tierra, no deberá conectarse por medio de una abrazadera única o accesorio, más de un conductor al electrodo a tierra, a menos que la abrazadera o accesorio esté aprobado para el uso. Se deberá utilizar uno de los métodos indicados a continuación:
9.
a)
Una
abrazadera con perno de bronce o latón o de hierro fundido maleable.
b)
Un
c)
Una
d)
Otros
accesorio de tubería, vástago u otro dispositivo aprobado, roscado en la tubería o en el accesorio. abrazadera hecha de una tira de hoja metálica que tenga una base metálica rígida en contacto con el electrodo y una tira del mismo material y de dimensiones que no se encojan durante o después de la instalación. medios aprobados substancialmente iguales.
Tipos de sistemas de puesta a tierra
Puesta a tierra para sistemas eléctricos. El propósito de aterrar los sistemas eléctricos es limitar cualquier voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o de contactos no intencionales con cables de voltajes más altos. Esto se realiza mediante un conductor apropiado a la corriente de falla a tierra total del sistema, como parte del sistema eléctrico conectado 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 propied ades, de forma que operen las protecciones por sobre corriente de los equipos. Utilizado para conectar a tierra todos los elementos de la instalación que en condiciones normales de operación no están sujetos a tensiones, pero que pueden tener diferencia de potencial con respecto a tierra a causa de fallas accidentales en los circuitos eléctricos, así como los puntos de la instalación eléctrica en los que es necesario establecer una conexión a tierra para dar mayor seguridad, mejor
funcionamiento y regularidad en la operación y en fin, todos los elementos sujetos a corrientes eléctricas importantes de corto circuito y sobretensiones en condiciones de falla. Generalmente la resistencia a tierra en cualquier punto del sistema, no debe ser mayor a 10 Ohms. Para la conexión a tierra de los equipos, se instalan en los edificios, una barra de cobre electrolítico de dimensiones adecuadas, instaladas a unos 60 cm sobre el nivel de piso con una leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para el sistema de fuerza en las concentraciones de tableros de cada piso. 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 o a tierra. Puesta a tierra de protección electrónica. Para evitar la destrucción de los elementos semiconductores por sobre voltajes, se colocan dispositivos de protección de forma de limitar los picos de sobré tensión conectados entre los conductores activos y tierra. La puesta a tierra de los equipos electrónicos y de control, consta de una serie de electrodos instalados remotamente al edificio. En el interior se instala una barra de cobre electrolítico de dimensiones adecuadas montada a 2.60 metros sobre nivel de piso terminado con una leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para el sistema de electrónica. La resistencia a tierra máxima en este sistema debe ser de unos 2 Ohms, cuando no se alcanza la resistencia deseada, se instala algún elemento químico para reducir la resistividad del terreno y alcanzar así, la resistencia a tierra requerida. Puesta a tierra de protección atmosférica. Como su nombre lo indica, se destina para drenar a tierra las corrientes producidas por descargas atmosféricas (RAYOS) sin mayores daños a personas y propiedades. Se logra con una malla metálica igualadora de potencial conectada al planeta tierra que cubre los equipos o edificios a proteger o se conforma con electrodos tipo copperweld y cable tipo pararrayos de cobre Clase 1 de 27 hilos. La distancia del edificio con respecto al sitio donde se entierre el electrodo, no debe ser inferior a 2,50 metros y debe quedar totalmente aislado de los sistemas de tierras para fuerza y para electrónica. La resistencia a tierra en cualquier punto del sistema, no debe ser mayor a 10 ohms, para lo cual en caso necesario, se implementarán arreglos de electrodos en Delta y/o un agregado de elementos químicos para reducir la resistividad del terreno, recomendados por el CEN en el articulo 250 -83.
Puesta a tierra de protección electrostática . Sirve para neutralizar las cargas electroestáticas producidas en los materiales dieléctricos. Se logra uniendo todas las partes metálicas y dieléctricas, utilizando el planeta tierra como referencia de voltaje cero. Como pudo apreciar anteriormente cada sistema de tierras debe cerrar únicamente el circuito eléctrico que le corresponde. Puesta a tierra para sistemas eléctricos. Los sistemas eléctricos se conectan a tierra con el fin de limitar la tensión que pudier a aparecer en ellos, por estar expuestos a descargas atmosféricas, por interconexión en casos de fallas con sistemas de conexiones superiores, o bien, para limitar el potencial máximo con respecta a tierra, producto por la tensión nominal del sistema. Este tipo de conexión se denominará Tierra de Servicio. Se conectarán a tierra los elementos de la instalación necesarios como ser:
Los neutros de los transformadores, que lo precisan en instalaciones o redes con neutro a tierra de forma directa o a través de resistencias o bobinas. El neutro de los alternadores y otros aparatos o equipos que lo precisen. Los circuitos de baja tensión de transformadores de medida. Los limitadores, descargadores, autoválvulas, pararrayos, para eliminación de sobretensiones o descargas atmosféricas. Los elementos de derivación a tierra de los seccionadores de puesta a tierra.
10. Finalidad de las puestas a tierra
Los objetivos principales de las puestas a tierra son: 1.
2.
3. 4. 5.
Obtener
una resistencia eléctrica de bajo valor para derivar a tierra Fenómenos Eléctricos Transitorios, corrientes de fallas estáticas y parásitas; así como ruido eléctrico y de radio frecuencia. Mantener los potenciales producidos por las corrientes de falla dentro de los límites de seguridad de modo que las tensiones de paso o de toque no sean peligrosas para los humanos y/o animales. Hacer que el equipamiento de protección sea más sensible y permita una rápida derivación de las corrientes defectuosas a tierra. Proporcionar un camino de derivación a tierra de descargas atmosféricas, transitorios y de sobretensiones internas del sistema. Ofrecer en todo momento y por el tiempo de vida útil del SPAT (±20 años) baja resistencia eléctrica que permita el paso de las corrientes de falla.
6. Servir de continuidad de pantalla en los sistemas de distribución de líneas telefónicas, antenas y cables coaxiales.