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Hilo de tierra, pozo a tierra o conexión de puesta a tierra son otros de los nombres que se le otorga a esta unión. La puesta a tierra es un mecanismo de seguridad que forma parte de las instalaciones eléctricas y que consiste en conducir eventuales desvíos de la corriente hacia la tierra, impidiendo que el usuario entre en contacto con la electricidad. Esto quiere decir que cierto sector de las instalaciones está unido, a través de un conductor, a la tierra para que, en caso de una derivación imprevista de la corriente o de una falla de los aislamientos, las personas no se electrocuten al entrar en contacto con los dispositivos conectados a dicha instalación.
En los sistemas de telégrafos de principios del siglo XIX se usaban dos o más cables para llevar la señal y el retorno de las corrientes. Por aquel entonces se descubrió (probablemente el científico alemán Carl August Steinheil) que la tierra podría ser usada como un camino de retorno para completar un circuito cerrado, de esta forma el cable de retorno era innecesario. Sin embargo, había problemas con este sistema, ejemplificado por la línea de telégrafo transcontinental construida en 1861 por la Western Union Company entre St. Joseph (Misuri) y
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Sacramento (California). Con clima seco, la conexión de tierra a menudo desarrollaba una alta resistencia, esto requería que vertiera agua sobre las barras que hacían de conexión para que el sistema funcionara. Más adelante, cuando la telefonía comenzó a sustituir a la telegrafía, se encontró que las corrientes que inducían en la tierra otros aparatos, los ferrocarriles y los relámpagos causaban una interferencia inaceptable, por lo que el sistema de dos hilos fue reintroducido.
Las instalaciones de puesta a tierra co nstan de las siguientes partes: a.
El terreno
b. Tomas de tierra c.
Conductor de tierra o línea de enlace con el electrodo de puesta a tierra
d. Borne principal de tierra e. Conductor de protección f.
Conductor de unión equipotencial principal
g.
Conductor de equipotencialidad suplementaria
h. Masa i.
Elemento conductor
j.
Canalización metálica principal de agua
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La elección e instalación de los materiales que aseguren la puesta a tierra deben ser t ales que: o
o
o
o
El valor de la resistencia de puesta a tierra esté conforme con las normas de protección y de funcionamiento de la instalación y se mantenga de esta manera a lo largo del tiempo, teniendo en cuenta los requisitos generales indicados en el REBT (ITC-BT-24) y los requisitos particulares de las Instrucciones. Técnicas aplicables a cada instalación. Las corrientes de defecto a tierra y las corrientes de fuga puedan circular sin peligros, particularmente desde el punto de vista de solicitaciones térmicas, mecánicas y eléctricas. La solidez o la protección mecánica quede asegurada con independencia de las condiciones estimadas de influencias externas. Contemplen los posibles riesgos debidos a electrólisis que pudieran afectar a otras partes metálicas. a. El terreno
El terreno es el encargado de disipar las corrientes de fuga o de defecto y las de origen atmosférico. La resistencia al paso de la corriente entre los electrodos y el terreno define la resistividad del mismo, permitiéndonos conocer su comportamiento eléctrico. Un buen contacto entre ellos, facilita el paso de la corriente eléctrica, mientras que un mal contacto la dificulta. A este valor que define la bondad del contacto se le denomina resistencia de paso a tierra y se mide en ohmios. Así pues, a la hora de dimensionar los electrodos sobre un terreno dado, el valor de la resistencia de paso deberá ser el menor posible. b. Tomas de tierra
Se entiende por toma de tierra la parte de la instalación encargada de canalizar, absorber y disipar las corrientes de defecto o de origen atmosférico que son conducidas a través de las líneas principales de tierra. Los electrodos utilizados para las tomas de tierr a son muy variados, los más frecuentes están formados por: o
Barras y tubos.
o
Pletinas y conductores desnudos.
o
Placas.
o
Anillos o mallas metálicas constituidos por los elementos anteriores o sus
o
combinaciones.
o
Armaduras de hormigón enterradas; con excepción de las armaduras pretensadas.
o
Otras estructuras enterradas que se demuestre que son apropiadas.
El tipo, los materiales utilizados y la profundidad de enterramiento de las tomas de tierra, deben ser tales que, la posible pérdida de humedad del suelo, la corrosión y la presencia del hielo u otros factores climáticos, no aumenten su resistencia eléct rica por encima del valor previsto.
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La profundidad nunca será inferior a 0,50 m. Las c analizaciones metálicas de otros servicios nunca deben utilizarse como tomas de tierra por razones de seguridad.
TIPOS DE TIERRAS
El propósito de separar estos tres t ipos es para reducir al mínimo los daños, tanto físicos como materiales, y con ello las pérdidas económicas. Esa separación de las tierras se aplica más en el sector industrial, en los tableros de control que monitorizan, supervisan los distintos procesos que involucran mantener operativa una industria. El sistema a tierra se divide en tres, diferenciándolos de la siguiente manera.
Sistema a tierra de corriente alterna
Es el más común, y que la podemos encontrar en edificios, hogares, producida por la diferencia de voltaje o corriente que tienen los circuitos eléctricos que trabajan con este voltaje alterno. Ejemplos o
Duchas eléctricas.
o
Refrigeradores.
o
Transformadores.
o
Aparatos de telecomunicaciones.
o
Lavadoras.
Sistema a tierra de corriente continua
Esta la encontramos en toda la infinidad de equipos electrónicos que existen, y de igual forma se produce por la diferencia de voltajes o corrientes en estos circuitos. Ejemplo o
Tarjetas electrónicas, que existen en computadores, videojuegos, PLC (Controladores Lógicos Programables), sistemas HMI (Inte rfaz Humano Máquina).
Sistema a tierra electrostática
Este tipo de tierra es muy peculiar debido a que lo encontramos específicamente en tanques de almacenamiento, transporte o tratamiento, se produce por la interacción del fluido (cargas eléctricas + o bien −) con su c ontenedor (cargas eléctricas + o bien −), por lo general carga (−).
Ejemplo o
Tanques para almacenar o tratar crudo, combustibles, gases, sustancias químicas, etc.
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c.
Conductores de tierra
Se conoce como línea de enlace o conductores de tierra a los que conectan al conjunto de electrodos o anillo con el borne principal o punto de puesta a tierra. La sección de los conductores de tierra será la indicada en la tabla 10.1 y de características similares a los conductores de protección que más adelante se describen. El conexionado entre los componentes de las tierras debe realizarse con sumo cuidado para garantizar una buena conducción eléctrica y evitar daños en los conductores o los electrodos.
d. Bornes de puesta a tierra
Los bornes de puesta a tierra forman el punto de unión entre la toma de tierra y el circuito de puesta a tierra de un edificio. Como muestra la figura 10.4 el punto de puesta a tierra está formado por un sistema de placas y tornillos que permite la conexión y desconexión del edificio con la toma de tierra. El punto de puesta a tierra se aloja en el interior de una arqueta de características y dimensiones apropiadas. Al borne principal de tierra se conec tan los siguientes conductores: o
Los de tierra.
o
Los de protección.
o
Los de unión equipotencial principal.
o
Los de puesta a tierra funcional, si son necesarios.
Sobre los conductores de tierra y en lugar accesible, debe preverse un
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dispositivo que permita medir la resistencia de la toma de tierra. Este dispositivo puede estar combinado con el borne principal de tierra, debe ser desmontable mediante un útil, tiene que ser mecánicamente seguro y debe asegurar la continuidad eléctrica. e. Conductores de protección
Los conductores de protección unen las masas de una instalación y los elementos metálicos que puedan existir, como cañerías, calderas, etc. y cualquier otra masa importante del edificio, con las líneas de tierra. Los conductores serán de cobre aislados, de color amarillo-verde a rayas y su sección depende del conductor de fase que acompañe, según la tabla 10.2. Los valores de la tabla sólo son válidos para conductores de protección fabricados del mismo material que los activos. Si la aplicación de la tabla conduce a valores no normalizados, se tienen que utilizar conductores que tengan la sección normalizada superior más próxima. En todos los casos, los conductores de protección que no forman parte de la canalización de alimentación serán de cobre con una sección, al menos, de: o
2,5 mm2, para conductores de protección protegidos mecánicamente. 4 mm2, para conductores de protección sin proteger.
o
Cuando el conductor de protección sea común a varios circuitos, la sección de ese conductor debe dimensionarse en función de la mayor sección de los conductores de fase. Como conductores de protección pueden utilizarse:
o
Conductores en los cables multiconductores o conductores aislados o desnudos que posean una envolvente común con los conductores activos.
o
Conductores separados desnudos o aislados.
Cuando la instalación consta de partes de envolventes de co njuntos montados en fábrica o de canalizaciones prefabricadas con envolvente metálica, estas envolventes pueden ser utilizadas como conductores de protección si satisfacen, simultáneamente, las tres condiciones siguientes:
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o
Que su continuidad eléctrica sea tal que no resulte afectada por deterioros mecánicos, químicos o electroquímicos.
o
Que su conductibilidad sea, como mínimo, igual a la que resulta por la aplicación del presente apartado.
o
Que permita la conexión de otros conductores de protección en toda derivación predeterminada.
Los conductores de protección deben estar convenientemente protegidos contra deteriores mecánicos, químicos y electroquímicos y contra los esfuerzos electrodinámicos. Las conexiones deben ser accesibles para la v erificación y ensayos, excepto en el caso de las efectuadas en cajas selladas con material de relleno o en cajas no desmontables con juntas estancas. f.
Conductores equipotenciales
En una instalación de tierras, se denominan conductores equipotenciales a aquellos que conectan eléctricamente todas las masas metálicas de la e structura de un edificio o de un recinto, con el fin de evitar diferencias de potencial entre ellas. El conjunto forma una red equipotencial unida a la red de tierra del edificio. Como ejemplo de una red equipotencial, podemos citar la instalación de conductores equipotenciales en el interior de un cuarto de baño, donde todas las canalizaciones metálicas de agua, desagües, radiadores, las masas metálicas de los aparatos sanitarios y demás elementos conductores accesibles, como marcos de puertas, ventanas, etc., se conectan entre sí y con la red de tierra de la vivienda. Todas las redes equipotenciales de las diferentes viviendas estarán conectadas entre sí y con la toma de tierra del edificio. En las instalaciones a tierra hay dos tipos de conductores equipotenciales: el principal y el suplementario.
El conductor principal de equipotencialidad
El conductor principal de equipotencialidad debe tener una sección no inferior a la mitad de la del conductor de protección de sección mayor de la instalación, con un mínimo de 6 mm2. Sin embargo, su sección puede ser reducida a 2,5 mm2, si es de cobre.
El conductor suplementario de equipotencialidad
Si el conductor suplementario de equipotencialidad uniera una masa a un elemento conductor, su sección no será inferior a la m itad de la del conductor de protecc ión unido a esta masa.
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La unión de equipotencialidad suplementaria puede estar asegurada, bien por elementos conductores no desmontables –tales como estructuras metálicas no desmontables – bien por conductores suplementarios, o por combinación de los dos.
Sistema de varilla "Cooper Well"
Sistema de plancha
Sistema de red o malla
Sistema de disco
Sistema de esfera
A continuación, se describirá las propiedades y características de los anteriores tipos de sistemas de puestas a tierra:
Sistema de varilla "Cooper Well"
Este sistema de puesta a tierra consiste en una varilla de cobre o de hierro colado ubicada en el suelo, cerca al medidor, con una longitud mínima de 2,40 mts. y un e spesor de 5/8". De su extremo superior se deriva, por medio de un empalme, un hilo conductor en cobre, que ingresa a la instalación eléctrica haciendo contacto con todas las partes metálicas que la conforman. El empalme entre el hilo y la varilla puede ser elaborado mediante una abrazadera de cobre o utilizando soldadura exotérmica. Se requiere de que la varilla se encuentre enterrada en un suelo apto con baja resistencia eléctrica, y que además, sea capaz de ofrecer una diferencia de potencial entre la tierra y el neutro de 0 V. El punto de empalme debe quedar dentro de una caja de inspección en concreto con dimensiones de 30 cm3. Cuando el terreno no brinda las condiciones necesarias para el sistema, la tierra debe ser preparada, garantizando una adecuada descarga; se recomienda mezclar tierra negra con carbón mineral y sal para mejorar la conductividad y mantener la humedad del terreno.
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Sistema de plancha
Este tipo de sistema de puesta a tierra puede reemplazar al de la varilla de Cooper Well a nivel residencial. Se trata de una plancha e n cobre enterrada en el suelo cerca a la instalación dentro de un terreno preparado previamente. El hilo conductor que se distribuye se deriva de la plancha por medio de un empalme elaborado con soldadura de plata o de cobre aplicada con soplete. Su profundidad mínima ha de ser de 40 cm. Es usada en terrenos donde no puede ser posible la conexión de la varilla Cooper Well por causa de la profundidad.
Sistema de red o malla
Se trata de un sistema de varilla Cooper Well reforzada que se emplea para sistemas eléctricos
de
carga
elevada
en
instalaciones
tipo
comercial
e
industrial.
Consiste en la interconexión de (3) o más varillas dependiendo de la carga, ubicándolas en diferentes puntos de un terreno y derivando de allí el hilo conductor que se distribuye por la instalación eléctrica. La instalación mínima entre varillas debe ser del doble de la longitud de cada una de ellas. Los empalmes deben ser elaborados con soldadura exotérmica. Deben empezar a ser utilizados con cargas iguales y superiores a 7,5 kW. En cada punto de ubicación de cada varilla es indispensable preparar el te rreno.
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Sistema de Disco
El sistema de puesta a tierra en forma de disco es utilizado a nivel industrial con el fin de aterrizar las cargas eléctricas que se encuentran en reposo en la superficie de las máquinas y/o equipos (electrostática). Se trata de un disco hecho en acero colled-rold que actúa de forma individual para las carcasas de los equipos; se ubica en el suelo a poca profundidad (entre 10 y 30 cm), derivando se de él un hilo conductor en cobre que hace contacto con la estructura metálica de la maquinaria. La electrostática se produce en máquinas que funcionen o presenten fricción.
Sistema de esfera
Este tipo de sistema de puesta a tierra es utilizado para aterrizar cargas de alto nivel eléctrico, en redes de alta tensión. Se trata de una esfera en acero con un diámetro mínimo de 20 cm. que se ubica en el suelo a una profundidad muy grande (de entre 10 y 20 mts de la superficie). De su cuerpo se desprende un hilo conductor a través de un ducto, dirigiéndose a la superficie, evitando el contacto con la tierra, con el fin de evitar que se presente tensiones de paso.
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A continuación se explican las funciones más importantes de los conductores de tierra y se presentan algunas definiciones. Se describen los diferentes tipos de electrodos de tierra disponible; se usan generalmente los mismos tipos, ya sea si el sistema de puesta a tierra es para una casa, industria o central generadora. a.
Requerimientos del sistema de puesta a tierra
La función del sistema de puesta a tier ra 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 c ircuito.
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. b. 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 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
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servicios principales. En el interior de instalaciones, estas conexiones deben ser de un cierto tamaño mínimo (al menos 6 mm2) y generalmente no nece sitan ser mayor que 25 mm2 en cobre. c.
Electrodos de tierra
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 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 fierro 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 prohíben 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.
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El concepto de la protección de personas o equipos eléctricos de minas frente a fallas eléctricas mediante conexión a tierra adecuada, ha existido desde que la electricidad se introdujo en las minas. Ya en 1916, la Oficina de Minas de EE.UU. recomienda el uso de puesta a tierras como un medio de prevenir una descarga eléctrica a los mineros que trabajan con equipos eléctricos o cerca de ellos. Para la industria minera, un sistema de puesta a tierra adecuada siempre ha sido un problema complicado, ya que es más compleja y difícil que en otras industrias.
a. Mallas de tierra En las minas, los cables de distribución eléctrica y los circuitos de transmisión aérea llevan a la mina uno o más conductores de puesta a tierra, además de los conductores de línea. Cada pieza de un equipo AC tiene su estructura sólidamente conectada través de estos conductores a una malla de tierra de seguridad comúnmente situada cerca de la subestación principal y que consiste en enterrar conductores horizontales, varillas de tierra, o una combinación de ambos. El neutro del secundario del transformador de la subestación, también está conectado con la malla de tierra de seguridad. La puesta a tierra del sistema y la puesta a tierra de seguridad deben mantenerse separadas de modo tal que el flujo de corriente que pasa por una, no afecte en la otra (acoplamiento). Es esencial para la operación segura del sistema eléctrico de minas que la resistencia de las mallas de tierra sea menor a 5,0 Ω. Una malla de tierra dentro de este rango de resi stencia a menudo se le denomina malla de tierra de baja resistencia. b.
Puesta a tierra en minas de superficie
El sistema de puesta a tierra típico de una mina a tajo abierto es similar a la de la minería subterránea. Una o más subestaciones se emplean para transformar la tensión de línea de entrada a un potencial más bajo utilizado por las máquinas de la minería. En este nivel de tensión, la distribución se realiza por líneas aéreas o cables de suministro de las celdas de maniobra ubicadas cerca de un equipo particular. Los cables de arrastre completan el circuito de alimentación de la celda de maniobra a la máquina. Una celda de maniobra a veces se conecta por cable a una subestación portátil que suministra la energía a más baja tensión a la producción, equipos auxiliares, o iluminación. Las puestas a tierra de las subestaciones presentan mallas de tierra de sistema y de seguridad, que están físicamente separadas y eléctricamente aisladas entre sí como también de otras puestas a tierra de la mina.
c.
Puesta a tierra en minas subterráneas
Antiguamente en la minería subterránea se utilizaba como puesta a tierra una varilla de metal en el piso de la mina. En casi todos los casos, este sistema demostró ser inaceptable desde el punto de vista de la seguridad, pues la resistencia de contacto de la maquinaria minera con el piso de la mina es demasiada alta para una puesta a tierra adecuada. Como solución, Griffith y Gleim (1943)
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propusieron que la puesta a tierra de una mina subterránea debe ser ubicada en el exterior, es decir, en la superficie. Dicha práctica actualmente se utiliza en la minería. Una forma simple de conexión a tierra es suministrar la energía a los equipos mediante cables trifásicos que entran a la mina, provenientes de un transformador. Dicha energía llega a equipos AC y a los rectificadores. Excepto por el sistema de transporte férreo, todas las carcasas de equipos alternos y continuos están conectados a una salida común que llega a la malla de tierra de seguridad en la superficie. Para que el sistema sea eficaz, los conductores de puesta a tierra deben ser permanentemente monitoreados para verificar la continuidad. El sistema férreo generalmente utiliza los cables aéreos como conductor positivo y los rieles como negativo. Ninguno de estos está conectado a la tierra de los marcos de las unidades rectificadoras. Sin embargo, debido a que los rieles están en contacto con el suelo de la mina, el conductor negativo del sistema férreo está puesto a tierra. En cada etapa de transformación de voltaje del sistema, tal como en los centros de poder, un punto neutro adicional debe establecerse en el secundario del transformador. El neutro se conecta a través de una resistencia de puesta a tierra al marco de los equipos, luego a los conductores de tierra, para llegar finalmente a la malla de tierra de seguridad de la superficie.
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