“MANUAL DE DISEÑO Y MANTENIMIENTO DE SISTEMAS DE PUESTAS A TIERRA Y PARARRAYOS PARA EL SECTOR INDUSTRIAL
REFERIDOS EN
LAS NORMAS DEL NFPA” Parte 1
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERÍAS CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
AUTORES: ING. DIEGO PATRICIO BERNAL CASTILLO ING. JUAN CARLOS GARCÍA GARCÍA DIRECTOR: ING. FLAVIO QUIZHPI
Introducción El Código Eléctrico Nacional (NEC) desarrollado por la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) de Estados Unidos de América, en su sección NFPA 70 y NFPA 780, con la finalidad de evitar incendios de origen eléctrico y atmosférico nos brindas las pautas fundamentales requeridas para el desarrollo de los sistemas de puesta a tierra y pararrayos. pararrayos.
Objetivo El objetivo primordial de este documento es el de establecer una guía en la cual se identifiquen los métodos, procedimientos y recomendaciones que se necesitan para llevar a cabo un correcto sistema de Puesta a Tierra y Pararrayos en el sector Industrial basados en las normas establecidas por el NFPA que garanticen la seguridad personal y material de los implicados. i mplicados.
Aspectos generales El sistema de protección de puesta a tierra y pararrayos en la industria generalmente está constituido por una lanza metálica o captador para las descargas atmosféricas, un electrodo enterrado para la puesta a tierra y los conductores que enlazan todo el sistema que requiere esta protección, en capítulos posteriores se realiza un análisis detenido de su constitución en general.
Introducción El Código Eléctrico Nacional (NEC) desarrollado por la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) de Estados Unidos de América, en su sección NFPA 70 y NFPA 780, con la finalidad de evitar incendios de origen eléctrico y atmosférico nos brindas las pautas fundamentales requeridas para el desarrollo de los sistemas de puesta a tierra y pararrayos. pararrayos.
Objetivo El objetivo primordial de este documento es el de establecer una guía en la cual se identifiquen los métodos, procedimientos y recomendaciones que se necesitan para llevar a cabo un correcto sistema de Puesta a Tierra y Pararrayos en el sector Industrial basados en las normas establecidas por el NFPA que garanticen la seguridad personal y material de los implicados. i mplicados.
Aspectos generales El sistema de protección de puesta a tierra y pararrayos en la industria generalmente está constituido por una lanza metálica o captador para las descargas atmosféricas, un electrodo enterrado para la puesta a tierra y los conductores que enlazan todo el sistema que requiere esta protección, en capítulos posteriores se realiza un análisis detenido de su constitución en general.
Normativas de regulación oficial
La NFPA (Asociación Nacional de Protección contra Incendios) , es un documento que contiene el desarrollo de un conjunto de códigos, normas, prácticas recomendadas y guías, desarrollados desarrollados a través de un consenso consenso aprobado aprobado por el American National National Standards Institute (Instituto Nacional Americano de Normas), con el fin de tratar de lograr acuerdos referentes al fuego y otros problemas de seguridad.
El código NEC (NFPA 70 sección 250) y el NFPA 780 (Protección contra Descargas Atmosféricas) serán las normativas acogidas para el desarrollo de este documento.
Finalidad de los Sistemas de Protección La finalidad de estos sistemas de protección es la de brindar: • • • • • • • • •
Integridad de la persona Integridad de las instalaciones y equipo eléctrico Integridad de la infraestructura Continuidad del servicio eléctrico Estabilidad del sistema eléctrico Eficiencia Disminución de pérdidas económica Prevención de accidentes (incendios) ( incendios) Cumplimiento de garantías legales
Fallas eléctricas Los sistemas eléctricos en la industria están expuestos continuamente a fallas, las cuales pueden ser de naturaleza interna o externa, las fallas internas pueden pueden ser provocadas por varios factores, entre los cuales destacan:
• • • • • • • • • • •
Instalaciones eléctricas defectuosas Mala operabilidad del sistema Sobredimensionamiento Sobredimensionamiento del sistema Instalaciones y equipos obsoletos Incumplimiento de normas Personal no calificado Accidentes imprevistos Falta de mantenimiento Fallas de aislamiento Presencia de gases gases y líquidos de de consistencia acida acida corrosiva Presencia de altas temperaturas
Representación simbólica de fallas de naturaleza internas dentro de la industria
Mientras que las fallas de naturaleza externa y ajena a las actividades internas del la industria destacan:
• • • • •
Descargas atmosféricas Sobretensiones en el sistema de distribución Fallas en las líneas Cortes eléctricos Accidentes
Representación simbólica simbólica de fallas de naturaleza externa hacia la industria
Las fallas anteriormente citadas son las principales causantes de daños a personas, instalaciones y equipos, razón por la que el sistema de puesta a tierra y pararrayos tiene como objetivo fundamental proteger y garantizar la seguridad de los mismos
Al suscitarse una de las tantas fallas en mención en el sistema eléctrico en general, este acarrea consigo fenómenos, los cuales deben ser eliminados del sistema eléctrico mediante los sistemas sistemas de protección. protección. Estos sistemas sistemas de protección protección serán los encargados en canalizar dichos dichos fenómenos a un medio “tierra” mediante el cual se se desfogarán y eliminarán estos fenómenos.
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA PARA EL SECTOR INDUSTRIAL
Las instalaciones eléctricas que forman parte de una vivienda hasta lo que constituiría una gran planta industrial, deben garantizar la seguridad de las personas y bienes materiales que harán uso de estas, por lo que es necesario proporcionar a las instalaciones eléctricas de los mecanismos de protección protección que correspondan correspondan siendo uno de estos y de mayor importancia los Sistemas de Puesta a Tierra Eléctricos.
La normativa del código NEC (NFPA 70) en su sección 250 “PUESTA A TIERRA Y CONECCIONES”, determina que toda instalación eléctrica debe contar con un buen sistema de puesta a tierra, que garantice una continua protección del que hace uso de las instalaciones.
Símbolo representativo de una Puesta a Tierra (NEC 250.126)
Definición del Sistema de Puesta a Tierra.
El NEC en su sección 100 define a la Puesta a Tierra Eléctrica como una conexión entre el circuito circuito eléctrico eléctrico y tierra o entre el equipo equipo eléctrico y tierra.
Para un mejor
entendimiento y en base de la investigación y conjugación de ideas determinamos la siguiente definición. El Sistema de Puesta a Tierra Eléctrica es el conjunto de elementos conductivos o conductores enterrados directamente en el suelo que integran un medio de protección eléctrica, está destinada a conducir y disipar directamente hacia el suelo las corrientes de falla de un sistema eléctrico, eliminando el riesgo que estas suponen. La puesta a tierra es necesaria para mantener el potencial de los objetos al mismo nivel de tierra.
Propósitos Principales del Sistema de Puesta a Tierra
Seguridad Personal (seres vivos presentes en las inmediaciones eléctricas).
Conducir a tierra las corrientes de fuga producidas por una falla de aislamiento.
Evitar la aparición de tensiones en carcasas metálicas de equipos eléctricos o sobre materiales conductivos que circundan los conductores eléctricos.
Derivar a tierra las corrientes de falla estáticas y parásitas así como el ruido eléctrico.
Proporcionar una impedancia baja para facilitar la operación de protecciones en condiciones de falla.
Proveer una trayectoria segura de circulación a tierra de las eventuales descargas atmosféricas.
Proporcionar un camino de derivación a tierra de las sobretensiones internas del sistema
Mantener los voltajes del sistema dentro de límites razonables bajo condiciones de falla.
Proporcionar una trayectoria alternativa para las corrientes de origen inductivo.
Servir de referencia al sistema eléctrico.
Elementos constructivos del sistema de puesta a tierra
En la presente sección se enumerará las partes más representativas de un sistema de puesta a tierra en general, sin importar su configuración, tipo o método.
1- Relleno del Electrodo 2- Electrodo de Puesta a Tierra - Grounding Electrode (NEC 250.52.) 3- Grapa o Abrazadera de Unión - Clamp (NEC 250.8. – 250.70) 4- Tapa de Revisión (NEC 250.10.) 5- Puente de Unión - Bonding Jumper (NEC 250.8.) 6- Puente de Unión Principal - Bonding Jumper, Main (NEC 250.24. - 250.28.) 7- Unión - Bonding (NEC 250.148.) 8- Conductor del Electrodo de Puesta a Tierra - Grounding Electrode Conductor (NEC 250.64. – 250.118. – 250.120.)
9- Canalización Metálica (NEC 250.80.)
Elementos constructivos del Sistema de Puesta a Tierra
Características del sistema de puesta a tierra
Las principales características de un sistema de puesta a tierra nos servirían como pautas para tenerlas presente en la ejecución del sistema de puesta a tierra, entre las características principales que podemos citar tenemos:
Superficies limpias: Las superficies de contacto deben estar libres de impurezas o pinturas que dificulten la correcta continuidad entre la masa y tierra u otro elemento conectado al sistema de puesta a tierra (NEC 250.12.).
Accesibilidad:
La accesibilidad al electrodo de puesta a tierra y a toda la
instalación del sistema debe ser apta para el mantenimiento, reparación y ampliación que esta requiera (NEC 250.24. – 250.68.) .
Identificación del Sistema Eléctrico:
Todo el sistema eléctrico deberá estar
correctamente identificado físicamente y por medio de los planos correspondientes, haciendo uso de las normas aquí presentes (NEC 250.119 – 250.126.).
Conexiones Seguras:
Todas las conexiones realizadas a lo largo del sistema
eléctrico en el que se incluye el sistema de puesta a tierra deben ser fijamente seguras, confiables, continuas y normalizadas sin importar el tipo de conexión que se realice (ajustable o mediante suelda) (NEC 250.8.) .
Continuidad en el Sistema:
La continuidad del sistema garantizará su correcto
funcionamiento sin limitaciones o probables dificultades para el cual fue diseñado (NEC 250.68. - 250.96. - 250.97. - 250.148.).
Materiales aptos para la instalación: Los materiales aptos para la instalación del sistema confiarán y garantizarán una larga duración y un correcto funcionamiento de todo el sistema (NEC 250.28. – 250.62. – 250.64.).
Adecuado Dimensionamiento de Conductores: El adecuado dimensinamiento de los conductores garantizará el correcto funcionamiento para el cual fue destinado el sistema (conducir correines de falla) (NEC 250.64. - 250.66. - 250.122. - 250.166.).
Selección Correcta de Electrodos:
Dependiendo de nuestras necesidades o de la
naturaleza misma del terreno debemos escoger el adecuado sistema de electrodos que cumplan con los requerimientos necesarios (NEC 250.52 - 250.53.).
Requerimientos Eléctricos del Sistema de Puesta a Tierra:
Los requerimientos
eléctricos son sumamente necesarios para cumplir las condiciones impuestas para un buen sistema de puesta a tierra y por las normas que esta presenta, por ejemplo la resistencia del electrodo o resistividad del terreno (NEC 250.56.).
TIPOS DE ELECTRODOS USADOS EN LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
Existen varios tipos y configuraciones de electrodos usados en un sistema de puesta a tierra, esto se debe a que cada configuración o tipo actúa de diferente manera, es decir presenta otras características físicas y eléctricas básicamente, éstas de una u otra forma mejoran el desempeño del sistema, sirven para acoplarse según la necesidad o características del terreno.
ELECTRODOS O BARRAS
Configuraciones del electrodo tipo barra del Sistema de Puesta a Tierra.
Los electrodos no deben tener una longitud menor
a 2.5m, estarán compuestos
básicamente de hierro o de acero y ser resistentes a la corrosión, deberán tener un diámetro de al menos 14.87mm (5/8 pulgadas), en el caso de ser varillas de acero inoxidable deberán tener un diámetro de por lo menos 16 milímetros (5/8 pulgadas), para varillas no ferrosos o su equivalente tendrán un diámetro no inferior a 13 milímetros (1/2 pulgadas). Serán instalados a una profundidad de por lo menos 2.44 m en contacto con la tierra, no se manejarán profundidades menores a 2.44 m (electrodos verticales), excepto que en el fondo de la instalación se encuentre rocas, razón por la cual el electrodo será manejado a un ángulo oblicuo que no exceda los 45º de la vertical (electrodo inclinado), en este caso el electrodo será permitido ser enterrado a por lo menos 750mm. En caso de ser un terreno persistente de roca es permitido enterrar un electrodo en sentido horizontal a una profundidad mínima de 0.5 m. (NEC 250.52. – 250.53.).
ELECTRODOS DE PLACA O PLATINA Este tipo de electrodos de puesta a tierra generalmente tienen forma rectangular pudiendo adoptar también una forma circular y se colocan horizontalmente, será instalado a no menos de 750 mm bajo la superficie de la tierra, cada electrodo de placa tendrá por lo menos una superficie de 0,186m² (generalmente un cuadrado de 600 ó 900 mm por lado) en contacto directo con la tierra, los electrodos de placas de hierro o acero deberán ser de al menos 6,4mm (1/4 pulgadas) de espesor y para electrodos de metales no ferrosos tendrán un espesor de al menos 1,5 mm (NEC 250.52. – 250.53.).
Electrodo tipo Placa rectangular
MALLA Un sistema de electrodos en configuración anillo o malla deben estar en contacto directo con la tierra, compuesto por lo menos de 6 m de conductor de cobre desnudo de sección no inferior a 2 AWG. El anillo no se enterrará a una profundidad de por lo menos 750mm (NEC 250.52. – 250.53.), los cables que forman la malla deberán estar unidos mediante el tipo compresión o mediante soldadura.
Puesta a Tierra en configuración malla y anillo
Para esta configuración podemos sumar también para aquella que está formada por electrodos espaciados:
Puesta a Tierra en configuración malla con electrodos espaciados.
Para esta configuración cada electrodo del sistema no se encontrará a menos de 1.83 metros de cualquier otro electrodo. Dos o más electrodos de la puesta a tierra que están juntos y efectivamente ligados serán considerados un solo sistema de electrodo de puesta a tierra (NEC 250.53.). La eficiencia del paralelo de las varillas de 2,5 metros se mejora espaciando a mas de 1.8 metros cada varilla (NEC 250.56).
TUBERÍA METÁLICA DE AGUA ENTERRADA La tubería metálica de agua puede ser considerada como un electrodo del sistema de puesta a tierra siempre que ésta presente continuidad, es decir que en su trayecto no se encuentren uniones o sistemas de filtrado (plásticos) que representen discontinuidad. Esta debe estar enterrada en contacto directo con la tierra a una profundidad mínima de 3 m y una distancia de 1.52 m de la acometida de la edificación, la tubería debe ser de material conductor, generalmente de acero o hierro cubierto por una capa externa de metal galvanizado que evita la corrosión. La tubería también puede estar ligada a un sistema de electrodos o disponer de electrodos adicionales (suplementarios) que se encuentran unidos a la tubería mediante un conductor de cobre de 6 AWG o de aluminio de 4 AWG (NEC 250.52. – 250.53.).
La tubería metálica subterránea de agua puede ser considerada un electrodo de Puesta a Tierra
ESTRUCTURAS METÁLICAS DE LAS CONSTRUCCIONES Las partes metálicas de una construcción (columnas y fundiciones principalmente) con más de 3 m de longitud y forrados o encajonados con hormigón y en contacto directo con la tierra pueden ser parte o formar un electrodo del sistema de puesta a tierra, esta puede estar de igual manera ligada con otros electrodos (NEC 250.52.).
Columna y fundición metálica pueden ser considerados como parte de una Puesta a Tierra
ELECTRODO ENCAJONADO EN HORMIGÓN Un electrodo encajonado de hormigón, fundido conjuntamente con la estructura metálica de la edificación puede servir como electrodo del sistema si esta encajonado por lo menos 55 mm en concreto y en contacto directo con la tierra, debe estar compuesto de por lo menos 6 m de uno o más conductores eléctricos desnudos (4 AWG), de zinc galvanizado o de algún tipo de acero recubierto de barras de reforzamiento o varillas con un diámetro no menor a 13 mm (NEC 250.52.).
Electrodo encajonado en hormigón
ELECTRODOS QUÍMICOS Cuando las condiciones de resistividad del terreno y la dificultad de instalación del Sistema de Puesta a Tierra son adversas, tenemos una alternativa para desarrollar nuestra instalación, la aplicación de los electrodos químicos o artificiales.
Se ha desarrollado una gran gama en este tipo de electrodos que en su estructura más simple consiste en un tubo de cobre llenado parcialmente con sales y compuestos conductivos, este electrodo tiene perforaciones tanto en su extremo superior como inferior, los primeros tiene la función de actuar como ventilador, mientras que los inferiores sirven como drenajes.
Representación simplificada de un electrodo químico.
Este tipo de electrodo depende netamente de la humedad del ambiente para su correcto funcionamiento, la humedad que ingresa por los orificios de ventilación forma una solución electrolítica con los compuestos internos del electrodo. Esta solución fluye a través del electrodo hacia la parte inferior del mismo y por medio de los orificios drena hacia las inmediaciones del suelo circundante formando raíces de esta solución que ayudan a mantener una resistividad adecuada para el sistema. Los electrodos químicos pierden sus características en el transcurso del tiempo, por lo cual requieren un mantenimiento especial que ayuden a mantener sus características eléctricas y químicas.
Este tipo de electrodo no es recomendado ser utilizado en el
sector industrial, comercial e incluso en edificios grandes. Luego de haber analizado brevemente los tipos de electrodos de puesta a tierra que están disponibles, es de suma importancia recalcar que no se utilizarán electrodos de aluminio y tuberías de gas para estos sistemas (NEC 250.52.).
Características del terreno
La tierra es el medio por el cual se canalizan y desembocan las corrientes de falla ocurridas en el sistema eléctrico provisto de protección a tierra, el terreno
conjuntamente con los componentes que hacen el sistema de puesta a tierra deben presentar baja impedancia para un correcto desempeño en su funcionalidad, razón por la cual es de suma importancia determinar las características eléctricas del terreno basadas en su resistividad y la forma en la cual la naturaleza del terreno influye para el aumento o disminución de ésta resistividad.
Resistividad del Terreno El terreno debido a su composición representa un mal conductor, pero es por su amplio volumen que se logra las condiciones necesarias para obtener los niveles de conducción necesarios para su utilización. La resistividad presente en el terreno es uno de los factores de mayor importancia a ser tomado en cuentea, la resistividad será identificada mediante la letra griega [ ρ] y será expresado en Ω-m (ohmios-metro), para determinar el valor resistivo del terreno partiremos de la siguiente gráfica:
Un cubo de terreno homogéneo de 1 m de
La resistividad es la resistencia eléctrica localizada entre dos caras opuestas del cubo y puede ser calculado mediante la ecuación de resistencia de un conductor eléctrico:
R = ρ Donde: R= resistencia [Ω] ρ= resistividad [Ω-m]
l= longitud de arista [m] s= sección del cubo [m²]
l s
Naturaleza del terreno La resistividad del terreno depende fundamentalmente de la naturaleza del terreno, a continuación se presenta una tabla en la cual se indican los valores de resistividad según la naturaleza del terreno.
NATURALEZA DEL TERRENO Terrenos pantanosos
RESISTIVIDAD EN Ωm >30
Limo (lodoso)
20 – 100
Humus
10 – 150
Turba húmeda (formado de residuos orgánicos) Arcilla plástica Margas (Carbonato de cal y arcilla) y arcillas compactas
5 – 100 50 100 – 200
Margas del jurásico
30 – 40
Arena arcillosa
50 – 500
Arena silícea
200 – 300
Suelo pedregoso cubierto de césped
300 – 500
Suelo pedregoso desnudo Calizas blandas
1500 – 3000 100 – 300
Calizas compactas
1000 – 5000
Calizas agrietadas
500 – 1000
Pizarras
50 – 300
Rocas de mica y cuarzo Granitos y gres (arcilla poco dura y tenaz) procedentes de alteración Granitos y gres muy alterados
800 1500 – 10000 100 – 600
Hormigón: 1 parte de cemento + 3 partes de arena
50 – 33
Hormigón: 1 parte de cemento + 5 partes de grava
100 – 8000
Naturaleza y valor resistivo del terreno. Fuente: Tecsup Virtual, Sistemas de Puesta a Tierra
Estratificación del Terreno
La estratificación del terreno se refiere a la composición de las distintas capas que forman el terreno, estas influye directamente en la resistividad y en el tipo de electrodo a ser instalado debido a la profundidad de alcance en el terreno. Para tener una mejor visión de esta propiedad del terreno vamos a considerar que a medida que aumenta el tamaño de las partículas que componen el suelo, aumenta el valor de resistividad (clasificación de los suelos por granulometría), es por ello que la grava por ejemplo tiene mayor resistividad que la arena, y esta que la arcilla. A continuación presentaremos las principales capas de estratificación que compone un terreno común a una profundidad de 2 a 4 metros aproximadamente:
Principales capas de estratificación de un terreno común.
La resistividad del terreno no es uniforme en función de la profundidad, es por tal razón que se debe realizar un estudio y mediciones para determinar el valor resistivo del terreno.
Humedad, Salinidad, Temperatura y variaciones Estaciónales.
La presencia de humedad y sales contenidas en la tierra son factores que mejoran notablemente la conductividad del suelo, razón por la cual en lugares secos y áridos
carentes de propiedades salinas existe un alto nivel de resistividad y “podrían” ser considerados lugares no aptos para la instalación de sistemas de puesta a tierra, dependiendo del terreno podemos decir que a mayor porcentaje de humedad menor resistividad.
Curva simplificada del valor resistivo de un terreno en función del porcentaje de humedad contenido.
La presencia de sal disuelta en el terreno es otro factor que influye positivamente en las propiedades conductivas del terreno, la concentración de sal ayuda a disminuir notablemente la resistividad del terreno, hay que tener cuidado con las grandes concentraciones de sal que positivamente mejoran el terreno pero que pueden ser causantes de corrosión en el material del cual está formado el electrodo, es recomendable por lo tanto que cuando se proceda a realizar el relleno del electrodo no se coloque sal común, sino preparados o compuestos permitidos (sales especiales con PH neutro) que mejoran la resistividad del terreno.
Curva simplificada del valor resistivo de un terreno en función del porcentaje de salinidad contenida.
Otro de los factores de los cuales depende la resistividad del terreno es la temperatura, las características térmicas del terreno muestran que al disminuir la temperatura aumenta la resistividad del terreno (congelamiento de iones = menor movilidad), para
una temperatura comprendida entre los 10ºC y 30 ºC (iones de la tierra tienen mayor libertad para movilizarse) tendremos un valor de resistividad constante y apto para un sistema de puesta a tierra, en caso de tener temperaturas fuera del rango admisible se procederá a enterrar a una profundidad mayor el electrodo (mayor temperatura – mayor resistencia).
Curva simplificada del valor resistivo en función de las características térmicas del terreno.
Cuando hablamos de humedad y propiedades térmicas del terreno indirectamente nos referimos a las variaciones estaciónales o climáticas, nuestro país se ve afectado por dos estaciones climáticas, el verano y el invierno, para un sistema de puesta a tierra representan los dos extremos moderados que afectan en la resistividad, por un lado tenemos días soleados (sequía) y por el otro abundante agua (humedad), los cuales alteran las propiedades físicas del terreno.
Es recomendable realizar las mediciones de resistividad en condiciones de seco, esto con el objeto de obtener el valor de resistividad más alto que se puede presentar en el sistema de puesta a tierra y mejorarlo.
Compactación Al hacer referencia de la compactación del terreno, estamos hablando del que tan bueno es el contacto del terreno con el electrodo, mientras mejor sea esta compactación, menor será la resistividad del terreno. La compactación del terreno se refiere a la textura apretada y poca porosidad del suelo, en la mayoría de los casos los terrenos son manipulados por maquinaría pesada quienes
influyen en la mejora de dicha compactación, más adelante se tomará en cuenta este factor de compactación para los procedimientos de medición.
Cuando la compactación del terreno es grande, disminuye la resistividad.
Configuraciones de los sistemas de puesta a tierra Con el objetivo de brindar medidas de protección, el sistema de puesta a tierra puede optar por distintas configuraciones de conexión, principalmente las involucradas en el tratamiento de aterrizaje del neutro del sistema, a continuación se presentan los distintos tipos de conexión del sistema de puesta a tierra más utilizados (NEC 250.26.).
Tierra – Neutro Separados El neutro de la fuente tiene un único punto de conexión a tierra en el transformador de alimentación, la configuración de cables de alimentación muestra que el conductor de neutro está separado del conductor de tierra o de protección.
Esquema de configuración Tierra – Neutro separado
En esta configuración las tensiones están referidas a tierra directamente a través del neutro puesto a tierra, el retorno de corrientes de falla es de gran intensidad, este sistema presenta seguridad pero no confiabilidad.
Características principales: -
Punto neutro del transformador y el conductor de protección G se unen directamente a tierra.
-
Masas de utilización unidas al conductor de protección y a la vez unidas a tierra.
-
Conductores neutros y de protección separados.
-
Activación de los dispositivos de protección al primer defecto de aislamiento, eliminando las sobreintensidades.
-
Estudio puntual de este sistema para su instalación
-
Mantenimiento periódico.
Conexión a Neutro de Protección En esta conexión el usuario dispone de un terminal de tierra conectado al neutro de la alimentación, el neutro se conecta a tierra cerca del punto de alimentación del usuario.
Esquema de configuración Conexión a Neutro de Protección.
Características principales: -
Conductor neutro y de protección confundidos En la circulación de corrientes de neutro en los elementos conductores del edificio y las masas, está el origen de incendios (equipos de telecomunicaciones y e informáticos).
-
Puede existir perturbación en el sistema eléctrico.
-
Requiere de un análisis y cálculo un poco complejo.
-
Requiere de un mantenimiento periódico.
Conexión directa a Tierra
La alimentación se pone a tierra en un único punto donde todas las partes metálicas expuestas de la instalación eléctrica del usuario están conectadas a tierra mediante un sistema de electrodo, separado al electrodo de alimentación.
Esquema de configuración Conexión directa a Tierra
Características principales: - Neutro unido directamente a tierra -
Masas de utilización interconectadas y unidas en un punto a tierra mediante un el conductor de protección
-
Intensidad de la corriente de aislamiento limitada por la resistencia de la puesta a tierra.
-
Solución simple en el estudio eléctrico de la instalación.
- No necesita un mantenimiento permanente.
Conexión de tierra Aislada
En este caso no se tiene un punto de conexión directo entre tierra y partes activas del sistema, las partes conductivas expuestas de la instalación eléctrica son conectadas a tierra individualmente.
Esquema de configuración Conexión de tierra Aislada
Características principales: -
Control permanente del aislamiento.
-
El punto neutro del transformador está aislado de la tierra.
-
Las masas de utilización están puestas a tierra por el conductor de protección, distinto del conductor neutro.
-
El primer defecto de aislamiento no es ni peligroso ni perturbador.
-
Es necesario personal de mantenimiento para verificaciones. Mencionados los tipos principales de conexiones de neutro a tierra debemos recalcar que en la industria el tipo de conexión mas aplicado y el cual se recomienda aplicarlo es el de Tierra – Neutro Separados, o más conocido como sistema de conexión de “Neutro Aterrado”.
Requisitos para el cálculo de una puesta a tierra Entre los requisitos principales para un sistema de puesta a tierra tenemos a la resistividad y a la resistencia, factores que pueden ser confundidos fácilmente, pero no, cuando hacemos referencia de la resistividad ( Ω-m) nos referimos a pruebas realizadas
al suelo, mientras que cuando hablamos de resistencia ( Ω) hacemos referencia a la eficiencia de un electrodo enterrado. RESISTIVIDAD → definida por la naturaleza física del terreno RESISTENCIA → propiedad física del medio conductor enterrado
Cálculo de Resistencia El cálculo de resistencia de los electrodos sirve como punto de partida para tener una referencia del valor que intervendrá en el diseño de nuestro sistema de puesta a tierra, a continuación se presenta una tabla en la cual se especifica el tipo de electrodo ejecutado, sus dimensiones y el cálculo de resistencia:
ELECTRODO
CONFIGURACIÓN
CÁLCULO DE RESISTENCIA (Ω)
BARRA HORIZONTAL R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
L: longitud del electrodo (m)
2 L2 ln R = 2π L a ⋅ h ρ
a: radio del electrodo (m) h: profundidad de enterramiento (m)
BARRA VERTICAL R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
L: longitud del electrodo (m)
R =
4 L − 1 ln 2π L a ρ
a: radio del electrodo (m) n: profundidad de enterramiento (m)
TRES BARRAS R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
L: longitud del electrodo (m) r: radio del electrodo (m) N: número de varillas La separación entre varillas es mayor que la longitud de las mismas
2 L 3.28 ⋅ ρ ⋅ ln r R = 2π NL
CONDUCTOR ANGULO RECTO R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
L: longitud de cada rama (m)
L2 − 0.2373 + 0.8584 p ln L ρ 2rp R = 2π L 2 4 p p 1 . 656 − 10 . 85 L L
+
r: radio del conductor (m) p: profundidad de enterramiento (m)
CONDUCTOR EN CIRCUNFERENCIA R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
D: diámetro de la circunferencia (m)
R =
ρ
4 D 8 D + ln ln d s
2π 2 D
d: diámetro del conductor s: profundidad de enterramiento (m)
ESTRELLA DE 3 PUNTAS R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
L: longitud de la barra (m) r: radio de la barra (m)
L2 + 1.077 − 0.836 p ln L ρ 2rp R = 3π L 2 4 p p − 3 . 808 13 . 824 L L
+
p: profundidad de enterramiento (m)
ESTRELLA DE 4 PUNTAS R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
L: longitud de la barra (m) r: radio de la barra (m)
L2 + 2.912 − 4.284 p + ln L ρ 2rp R = 4π L 2 4 p p 10.32 − 37.12 L L
p: profundidad de enterramiento (m)
ESTRELLA DE 6 PUNTAS R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
L: longitud de la barra (m) r: radio de la barra (m) p: profundidad de enterramiento (m)
L2 + 6.851 − 12.512 p ln L ρ 2rp R = 6π L 2 4 p p − 28 . 128 125 . 4 L L
+
ESTRELLA DE 8 PUNTAS R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
L: longitud de la barra (m) r: radio de la barra (m)
L2 + 10.98 − 22.04 p + ln L 2rp ρ R = 4 8π L 2 p p 52.16 − 299.52 L L
p: profundidad de enterramiento (m)
MALLA CIRCULAR R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
R =
L: longitud total del conductor de malla (m)
ρ
π
+
ρ
4 A L
A: área de la malla (m²)
MALLA CUADRADA O RECTANGULAR R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
ρ
R = 4
+
ρ
s L π
L: longitud total del conductor de la malla (m) s: superficie que cubre la malla (m²)
PLACA CIRCULAR R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
R =
ρ
4d
d: diámetro de la placa (m)
PLACA CUADRADA O RECTANGULAR R: resistencia (Ω) ρ: resistividad del terreno (Ωm)
R =
ρ
4.5 a ⋅ b
a, b: longitudes de la placa (m)
Configuraciones y fórmulas para el cálculo de resistencia de la Puesta a Tierra. Información obtenida del Seminario de Puestas a Tierra, Ing Paúl Oliveira + varios
A continuación se presenta la curva de residencia equivalente en función del número de electrodos colocados en paralelo, como se podrá observar a partir de los 6 electrodos
existe una saturación de la disminución de la resistencia, razón por la cual es recomendable no usar más de 6 electrodos en paralelo.
Relación número de electrodos y resistencia equivalente obtenida. Fuente: Tecsup Virtual
Con lo expuesto anteriormente podemos darnos cuenta de que existen métodos para lograr la reducción de la resistencia del Sistema de Puesta a Tierra, aunque como ya se explico puede presentarse un punto de saturación donde esta reducción no es de gran consideración, los métodos para reducir esta resistencia son los siguientes:
Aumento de número de electrodos
Aumento entre la distancia entre los electrodos
Aumento de la longitud de los electrodos (o superficie)
Aumento del diámetro de los electrodos (cables de malla o sección de las placas).
Manipulación del terreno (tratamiento químico)
Según la profundidad a la que se entierra la varilla, varía su
Mediciones del Sistema de Puesta a Tierra Un sistema de puesta a tierra debe cumplir con valores específicos que determinen sus condiciones correctas de operatividad, dichos valores son obtenidos por métodos de
medición que sirven para la adquisición de valores los cuales determinan si el sistema es o no apto para brindar la seguridad para la cual fue destinada.
Telurómetro de cuatro bornes .
Para realizar la medición del sistema de puesta a tierra debemos partir de:
Inspección visual del terreno (lugares adecuados para la medición), identificando los
obstáculos inmediatos o previsibles.
Alejarse de estructuras metálicas (ejemplo: cerramientos).
Realizar las mediciones preferiblemente en días secos (verano).
Tomar en cuenta la compactación del terreno.
Usar preferiblemente como mínimo dos equipos de medición.
No cruzar los cables del aparato de medida (efectos de inducción).
Las mediciones a realizarse en el sistema de puesta a tierra consta de dos etapas, la primera en la que se realiza la medición de la resistividad del terreno (medición previa al diseño y ejecución del sistema de protección), y la segunda etapa que es la medición de la resistencia del sistema de puesta a tierra (medición final y de confirmación del sistema de protección).
ETAPA 1: MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD → MEDICIÓN PREVIA ETAPA 2: MEDICIÓN DE RESISTTENCIA → MEDICIÓN FINAL
A continuación se analiza cada sistema de medición aplicado al sistema de puesta a tierra.
Medición de resistividad Los electrodos del sistema de puesta a tierra están directamente enterrados y en permanente contacto con el suelo, razón por la cual su efectividad depende en buena forma de la resistividad del terreno, a continuación presentamos los métodos de medición que nos ayudarán a determinar esta resistividad considerando que el terreno es homogéneo.
LA MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO SIRVEN PARA ESTIMAR LA RESISTENCIA DE LA PUESTA A TIERRA DE UN SISTEMA
Método de Wenner Conocido también como el “Método de Cuatro Electrodos”, es uno de los métodos más utilizados en la actualidad para determinar la resistividad de un terreno cualesquiera. Partamos de la representación gráfica siguiente para comprender
el proceso de
medición de este método:
Ilustración del método de Wenner.
Este método determina la resistividad del suelo para capas profundas, consiste en enterrar (de 10 a 20cm.) cuatro electrodos pequeños a una profundidad “ b” y espaciados uno del otro en línea recta una distancia “ a”.
Este método se basa en el principio de la ley de Ohm (V = R ⋅ I ) , una corriente “ I” es inyectada en los dos electrodos externos (1-4), mientras que un potencial “ V ” entre los dos electrodos internos (2-3), suministrados estos valores el instrumento determinará la
(
)
resistencia R = V del volumen del suelo cilíndrico de radio “a”, la resistividad aparente del suelo “ ρ a ” a la profundidad “ b” es determinada por la siguiente ecuación: ρ a
=
4π aR a 2a − 1+ 2 2 2 2 a + 4b a + b
aproximadamente
Puesto que “a” es mucho mayor que “ b”, la ecuación se simplifica a: ρ a
= 2π aR
Es necesario variar la distancia de los electrodos desde unos pocos metros hasta un espaciamiento aproximado a la dimensión esperada del terreno (área total donde se va a construir la edificación), también es importante realizar la medición con los electrodos en línea recta pero en distintas direcciones:
Disposición y espaciamiento entre electrodos .
Recuerde que para este método se debe mantener un espaciamiento igual entre los cuatro electrodos y en línea recta a una misma profundidad, estos electrodos deben estar limpios y libres de óxidos.
Durante la medición no olvide registrar los valores
obtenidos y las condiciones en las cuales se realiza la medición (preferiblemente en épocas secas). A continuación se presenta un ejemplo de registro en el cual se anotan las medidas obtenidas para espaciamientos recomendados:
ESPACIAMIENTO
LECTURA
“a” (m)
R (Ω)
RESISTIVIDAD CALCULADA ρ (Ω-m)
2 4 6 8 16 32 (para instalaciones de gran tamaño)
Ejemplo de registro para la obtención de cálculos y medidas de resistencia y resistividad en distintos espacios y direcciones.
Cuando se realizan las n mediciones se debe tener cuidado principalmente con los primeros valores obtenidos, puesto que un cambio brusco, generalmente entre el primero y el segundo valor es debido a la compactación del terreno, en caso de existir este cambio brusco y las restantes mediciones tener un orden lógico y adecuado (descendente) procedemos a eliminar a estos dos valores para nuestro cálculo de resistividad. Obtenidas las mediciones y cálculo de la resistividad del terreno, se debe analizar los resultados con el fin de evaluar las condiciones y determinar si el terreno es o no apto (encontrar la media aritmética de los valores de resistividad, medidas para cada separación entre picas).
Método de Schulmberger Este método utiliza cuatro electrodos tipo barra corta, estos son ubicados igual que el anterior en línea recta, simétricamente según corresponda su par (potencial y corriente) con respecto al centro de medición.
Las distancias a las que se encuentran los
electrodos son relativamente grandes, la profundidad a la que son enterradas no deben ser exageradas, este método determina una resistividad aparente del terreno, pues se considera un terreno homogéneo.
s1: constante, ns: varía Ilustración del método de Schulmberger.
Los electrodos de corriente se separan del centro de medición en línea recta, procedemos a graficar una curva con cada valor de resistividad obtenida en función del espaciamiento, la curva obtenida es comparada con una curva patrón del terreno, si estas se diferencian levemente podemos decir que los valores obtenidos son los correctos.
Comparación entre curva patrón y la curva obtenida mediante la medición. Fuente Tecsup Virtual, Sistemas de Puesta a Tierra
Graficada la curva podemos determinar el número de capas del subsuelo, su espesor resistividad.
La ecuación fundamental de resistividad para este método es la siguiente: ρ = π ⋅
R ⋅ n ⋅ (n + 1) ⋅ s1
Si es de suma dificultad realizar la medición de resistividad, podemos estimar este valor mediante la tabla de resistividad presentada según el tipo y naturaleza del
Métodos de medición de resistencia Para el correcto funcionamiento del sistema de puesta a tierra es necesario proceder con la medición del valor de resistencia del electrodo (Anexo E del NFPA 780), este valor dependerá de la calidad del suelo y del tipo de electrodo que se utilice (geometría del electrodo), la resistencia del electrodo del sistema de puesta a tierra está basado en tres factores: 1. Resistencia propia del electrodo (resistencia del conductor). 2. Resistencia de contacto directo entre el electrodo y tierra. 3. Resistencia de la tierra circundante del electrodo por donde circula las corrientes de falla.
Mientras que los factores que alteran las mediciones pueden ser:
El tipo de prueba (diversos métodos de medición)
El tipo de aparato (marca, analógico, digital)
Calidad de los electrodos de prueba
Condiciones del terreno (húmedo, seco)
Distancias manejadas en las pruebas
Existen métodos de medición que exigen la desconexión del electrodo de puesta a tierra de
Método de dos electrodos Este método mide la resistencia del electrodo en estudio y la resistencia de un electrodo auxiliar (se puede considerar una tubería metálica de agua), este método de medición es utilizado generalmente para la medición en un electrodo simple, las mediciones obtenidas pueden ser erróneas si existe un gran recorrido de tubería metálica de agua subterránea.
Ilustración del método de dos electrodos.
Fall of potencial Éste método consiste en hacer circular una corriente eléctrica a través del sistema de puesta a tierra. En este método los terminales C1 y P1 son unidos mediante un puente de conexión, se inyecta una corriente a través de un electrodo de prueba denominado “Electrodo de Corriente”, luego se mide el alza de potencial (voltaje) mediante otro electrodo auxiliar “Electrodo de Potencial”. Conocidos el valor de corriente y tensión y mediante la ley de Ohm se obtiene el valor de resistencia, esta medición es realizada en línea recta, para obtener medidas sucesivas de resistencia del electrodo en estudio, basta con correr el electrodo de potencial hacia el electrodo de corriente (1m)
Ilustración del método de fall of potencial.
Para este método de medición se debe desconectar el Sistema de Puesta a Tierra de todos los componentes que se encuentran ligados a él. Es recomendable realizar varias mediciones de resistencia moviendo únicamente el electrodo de potencial en varias direcciones (1m), sin mover el electrodo de corriente. Para este método se utiliza el equipo de medición identificado como “Telurómetro”.
Para consultas podemos
referirnos al ANEXO del NFPA 780.
Método de los Tres Puntos o de Triangulación. Para este método se utilizan dos electrodos auxiliares con resistencia Ry y Rz respectivamente. Estos electrodos son colocados en forma de triángulo conjuntamente con el electrodo en estudio ( Rx), se procede a medir la resistencia entre cada electrodo y mediante la fórmula presentada a continuación se determina el valor Rx del electrodo en estudio. Rx =
( R1 + R 2 + R3) (Ω) 2
Para una mejor aproximación los electrodos auxiliares deben ser lo más parecidos física y eléctricamente al electrodo en estudio (enterrados a la misma profundidad de ser
posible), la distancia recomendad a de separación entre electrodos es de 8 m o más. Las mediciones obtenidas mediante este método pueden ser influidas por objetos metálicos próximos. Este método no es muy recomendado debido a su sensibilidad.
Rx + Ry + 0 = R1 Rx + 0 + Rz = R 2 0 + Ry + Rz = R3 R1 + R 2 + R3 Rx = 2 Ilustración del método de triangulación.
Método de la Pinza
Pinza utilizada para medir el valor de resistencia individual de los electrodos.
Este método de medición se basa en el principio de funcionamiento de un transformador de corriente (TC) en forma de pinza, con este método medimos el valor de resistencia de los electrodos individualmente sin considerar el tipo de electrodo que sea (puede ser una barra, malla, placa, etc.). Mide el flujo de corriente a través del electrodo, los efectos de resistencia en paralelo desaparecen del proceso de medición por lo que ésta no se ve afectada. En este método de medición no hace falta desconectar el electrodo en estudio de todo el Sistema de Puesta a Tierra.
Medición de resistencia de un electrodo de puesta a tierra.
Esta medición también se puede realizar conjugando la pinza con un instrumento de cuatro terminales, el terminal C1 se conecta aguas arriba de la pinza, pero aguas abajo de cualquier conexión en paralelo.
Con este método medimos el valor de cualquier
electrodo individualmente y sin necesidad de desconectarlo. Para verificar el resultado movemos el terminal P2 1m hacia el electrodo en estudio o hacia el electrodo de corriente.
Ilustración del método de medición con una pinza y dos picas.
Otro método utilizando pinzas es el denominado “Método sin Picas”, este método no necesita que el electrodo de Puesta a tierra se desconecte y como su nombre lo indica, no necesita de electrodos adicionales para efectuar la medición.
Este método utiliza una pinza que genera tensión (transformador de potencia T.P.) en el conductor de tierra a una frecuencia especial, también utiliza una pinza que mide la corriente (transformador de corriente T.C.) resultante en el conductor de tierra.
Ilustración del método sin picas dos pinzas.
Recuerde que es recomendable realizar la medición de resistencia y resistividad en condiciones de seco La exactitud de medición dependerá del tipo de equipo utilizado, la gran mayoría de equipos para sus mediciones generan ondas cuadradas o triangulares, esto debido a que en la tierra hay varias ondas del tipo senoidal que pueden producir interferencias el momento de realizar la medición.
Valores de resistencia recomendados Los valores de resistencia recomendados tanto por la IEEE (IEEE 142-1991[6]) como por el NFPA 70 (NEC 250-56), sirven como puntos de partida para tener presente una referencia en el momento de cálculo, ejecución y medición, a continuación se presentan estos valores de resistencia según el sistema al cual se va a proteger:
SISTEMA Grandes subestaciones, líneas de transmisión, estaciones de generación Líneas de distribución Subestaciones de plantas industriales, edificios y grandes instalaciones comerciales
RESISTENCIA Ω 1 5 1-5
Torres de Comunicación
5
Protección contra rayos
10
Para un electrodo simple
25
Valores recomendados de resistencia en el sistema de puesta a tierra. Información recopilada del IEEE 142-1991 y del NEC 250.56.
Tamaño del Conductor de Puesta a Tierra. Para determinar el tamaño AWG del conductor de puesta a tierra debemos considerar en primer lugar que el neutro de la acometida del sistema debe conectarse a tierra en el punto de entrada, delante de cualquier equipo de desconexión con un conductor o barra colectora de cobre o aluminio no menor al indicado en la tabla siguiente:
CALIBRE DEL CONDUCTOR DE TIERRA EN FUNCION AL CALIBRE DEL CONDUCTOR DE LA ACOMETIDA
Conductor del electrodo de puesta a tierra para sistemas de corriente alterna. Fuente: NEC-250.66.
Calibre del mayor conductor de la entrada de la acometida, o área equivalente para conductores en
Calibre del conductor del electrodo de puesta a tierra
paralelo (AWG/kcmil) Cobre
Aluminio o aluminio revestido de cobre
Cobre
Aluminio o aluminio revestido de cobre
2 ó menos
1/0 ó menos
8
6
1 ó 1/0
2/0 ó 3/0
6
4
2/0 ó 3/0
4/0 ó 250 kcmil
4
2
Más de 3/0
Más de 250 kcmil hasta 500
hasta 350 kcmil
kcmil
2
1/0
1/0
3/0
2/0
4/0
3/0
250 kcmil
Más de 350 kcmil hasta Más de 500 kcmil hasta 900 600 kcmil
kcmil
Más de 600 kcmil hasta
Más de 900 kcmil hasta
1100 kcmil
1750 kcmil
Más de 1100 kcmil
Más de 1750 kcmil
El conductor de puesta a tierra ejecutado en la toma del alimentador no será más pequeño que el indicado en la tabla siguiente, basada en la tasa del dispositivo de sobrecorriente de entrada del alimentador:
CALIBRE DEL CONDUCTOR DE TIERRA EN FUNCION DE LA CORRIENTE DE CARGA
Calibre mínimo de Conductores de Puesta a Tierra. Fuente NEC-250.122.
Capacidad nominal o ajuste de dispositivos
Calibre (AWG ó kcmil)
automáticos de sobrecorriente en circuitos antes
Aluminio ó aluminio
del equipo, conduit , etc. sin exceder (Amperios)
Cobre
15
14
12
20
12
10
30
10
8
40
10
8
60
10
8
100
8
6
200
6
4
300
4
2
400
3
1
500
2
1/0
600
1
2/0
800
1/0
3/0
1000
2/0
4/0
1200
3/0
250
1600
4/0
350
2000
250
400
2500
350
600
3000
400
600
4000
500
800
5000
700
1200
6000
800
1200
revestido de cobre
El tamaño conductor utilizado para la conexión de un electrodo suplementario en el sistema de puesta a tierra no exigirá un conductor de cobre más grande que 6AWG o 4AWG en aluminio (NEC 250.53 - E).
El tamaño del cable utilizado para conectar cañerías tendrá una sección no más grande que 6 AWG de cobre o 4 AWG de aluminio.
La porción de conductor del electrodo de puesta a tierra que se conecta con el electrodo encajonado en hormigón no será más grande que 4AWG de alambre de cobre
Para un sistema de CD que consiste de 3 cables equilibrados o bobinados equilibrados con protección de sobrecorriente, el conductor del electrodo de puesta a tierra no será menor al conductor del neutro y no menor a 8 AWG en cobre o 6 AWG en aluminio.
En un sistema CD el conductor del electrodo conectado a tierra no será más pequeño que el conductor más grande proporcionado por el sistema, y no más pequeño que 8 AWG en cobre o 6 AWG en aluminio.
Para una subestación del sector industrial se recomienda un conductor # 4/0, esto según Ingenieros especializados y experiencia de compañías eléctricas
La sección para la construcción de un anillo o malla de Puesta a Tierra es de 35mm² (2AWG).
Ejecución de la Construcción del Sistema de Puesta a Tierra Cuando se tiene una buena planificación, el Sistema de Puesta a Tierra debe ser considerado antes, durante y después de la construcción de la obra civil.
Ubicación del Sistema de Puesta a Tierra. Nuestra ubicación no deberá intervenir con ningún otro sistema eléctrico, de cañerías subterráneas de agua o gas, de alcantarillado, de obra civil, etc. y debe estar cerca de la acometida de nuestra instalación (subestación). Cuando se encuentre a disponibilidad los planos civiles de la obra, será una buena opción elegir una de las áreas libres que se puedan encontrar (espacios verdes, patios, garajes, etc.), o en caso de que esta obra ya tenga destinado un lugar (subestación de la planta industrial) para la instalación del Sistema de puesta a Tierra mucho mejor. En caso de que el espacio de ubicación no esté disponible, se optará por realizar una excavación discreta dentro de la edificación, en un lugar de ser posible no muy transitado y en el cual en caso de mantenimiento (agua) no intervenga en el proceso cotidiano de la planta.
Tipo de Electrodo a ser Usado
Para el sector residencial se aplicaran electrodos tipo barra para la puesta a tierra, si son conjuntos residenciales, puede optarse por una malla común combinada con barras. Si son edificaciones destinadas para departamentos u oficinas bastara un sistema de mallas. Si es un centro comercial se procederá con un sistema de mallas para la puesta a tierra. En el sector industrial se prosigue a construir uno o varios sistemas de mallas interconectados entre si. También se considerara el área disponible o destinado par nuestro sistema de puesta a tierra, el tipo de terreno y amplitud de la obra, resistividad del terreno y resistencia requerida. En fin, el Ingeniero Eléctrico encargado de la obra estará en capacidad de disponer del sistema de puesta a tierra que según su criterio, basado en estudios previos pueda ser apto para la protección de la edificación en cuestión, combinando o ejecutando cualquiera de los sistemas disponibles.
Con los valores de resistividad del terreno, resistencia requerida y el área destinada al sistema de puesta a tierra, nosotros podemos deducir por ejemplo las dimensiones de la barra, placa o malla a ser utilizada. A continuación simplificaremos el procedimiento para determinar cualquiera de los factores que intervienen en la construcción de la puesta a tierra:
Obtener nuestra resistividad del terreno, mediante medición, cálculo o mediante la elección de la naturaleza del terreno.
Determinar el valor de resistencia recomendado según nuestra edificación (plantas industriales de 1-5Ω), el código NEC recomienda una resistencia de 25 Ω .
Determinar las dimensiones del área destinada para nuestro trabajo.
Con el valor de Resistencia, Resistividad, tipo de edificación, área destinada al trabajo y un buen criterio de ingeniería podemos determinar el tipo de electrodo adecuado para nuestro sistema (obtener dimensiones y ver si son adecuadas o no y elegir la más apropiada).
A continuación se indica el método por el cual nuestro electrodo dependiendo de su tipo va a ser enterrado:
Introducido al piso mediante martillazos, este tipo de electrodo es utilizado BARRAS CORTAS
principalmente en el sector residencial, donde el terreno tenga buena resistividad,
ELECTRODOS HORIZONTALES
Son instaladas en surcos o zanjas, una buena opción es instalarlas durante la ejecución de la obra civil. Se realizan excavaciones, o en caso de terreno pedregoso se taladra la
BARRAS PROFUNDAS
zanja o pozo donde va a ir colocado el electrodo, estas excavaciones generalmente son pozos redondos.
PLACAS y MALLAS
Para estos electrodos se realizan excavaciones más extensas, realizadas manualmente o con maquinaria
Tabla tomada del NEC-250.66. Conductor del electrodo de puesta a tierra para sistemas de corriente alterna
Materiales de los Electrodos
Los materiales utilizados en la instalación del sistema de puesta a tierra deben tener las siguientes características: • Los materiales deben ser capaces de soportar la corrosión, esfuerzos y descargas del
tipo mecánico • Deben tener baja resistencia eléctrica • Poseer una excelente capacidad conductiva • Encontrarse en buen contacto con el terreno (terreno de baja resistividad) • Si es necesario mejoras físicas el terreno • Mantenimiento y control de mediciones periódicas (CAP. 4)
El material del cual debe estar construido el electrodo debe cumplir las características presentadas anteriormente, a continuación presentaremos los materiales de los cuales comúnmente están constituidos los electrodos de Puesta a Tierra
TIPO DE ELECTRODO
BARRAS
PLACAS
MALLAS Y ANILLOS TUBÉRÍA SUBTERRÁNEA DE AGUA ESTRUCTÚRAS METÁLICAS
MATERIAL
Acero con recubrimiento de cobre
Hierro
Acero inoxidable
Acero galvanizado
Cobre
Hierro
Acero galvanizado
Acero con recubrimiento de cobre
El conductor de las mallas debe ser de cobre desnudo
Los electrodos deben ser del material ya presentado
Hierro cubierto por capa galvanizada
Acero cubierto por una capa galvanizada
Varillas de zinc galvanizada
Varillas de acero
Varillas de hierro
Material constructivo de los distintos electrodos de puesta a tierra. Información obtenida de NFPA 70 sección 250
Conexión del electrodo de Puesta Tierra
La conexión del electrodo al conductor del Sistema de Puesta a Tierra, o en caso de ser una malla la conexión del conductor a esta, debe ser realizada correctamente, de tal modo que la sujeción de esta sea fuerte, segura, perdurable, resistente a la corrosión y de baja resistividad eléctrica. A continuación mencionaremos los principales tipos de conexiones y sus características principales:
TIPO DE CONEXIÓN
CARACTERÍTICAS Este tipo de conexión no debe ser enterrada, es del tipo
CONEXIÓN
empernada, su unión debe ser protegida contra el ingreso de
MECÁNICA
humedad (pintura bituminosa), dentro de este tipo de conexión entra la realizada mediante compresión.
CONEXIONES BRONCEADAS
Este tipo de conexión se aplica a materiales de cobre o a aleaciones de este, esta técnica emplea una buena temperatura y el bronce como material de relleno Esta unión se realiza mediante la ayuda de un molde de
CONEXIONES
grafito, con el uso de una pistola de pedregal se enciende
EXOTÉRMICAS
una mezcla de aluminio y óxido de cobre (en polvo), lar reacción producida entre estos compuestos forma la unión. La unión de este método es logrado a través de la soldadora
CONEXIÓN
autógena, el arco eléctrico proporciona el calor necesario
AUTÓGENA
mientras que el área en torno al electrodo y la soldadura se encuentra expuesta a un gas inerte (helio, nitrógeno, argón).
Empalmes y conexiones entre conductores y electrodos. Información obtenida del Manual de Mallas de Tierra de PROCOBRE.
Pozo del Electrodo de Puesta a Tierra Determinado el punto en el cual va a estar instalado el electrodo de puesta a tierra, procedemos con la excavación del pozo.
Pozos dispuestos para barras verticales, horizontales, placas y mallas.
Preparación previa al relleno del pozo La preparación previa al relleno consiste en preparar adecuadamente el fondo del pozo para luego proceder con el rellenado del mismo, en el fondo del pozo se debe verter una solución de abundante agua y sal (fina) y esperar que este sea absorbido, luego se esparce sal en grano en el fondo del pozo, esta no debe estar en contacto directo con el electrodo. Luego de esta preparación previa procedemos a cubrir la sal con un poco del material de relleno (25 cm. aproximadamente).
Se debe esperar que el pozo absorba la solución de agua-sal.
Las paredes del pozo también deben ser sujetas a la exparción de agua sal.
Relleno del Pozo El relleno del pozo es clave fundamental para que el sistema cumpla con todas las condiciones necesarias, muchas de las veces no basta con rellenar el pozo con el mismo
material extraído, sino que este sea mezclado con algún aditivo, o de mejor manera ser rellenado por completo con otro tipo de compuestos. Los rellenos “artificiales” son utilizados para disminuir la resistividad del terreno, este tipo de rellenos son el resultado de una mezcla química y tierra (preferiblemente fina y sin piedras).
Muchas de las veces este tipo de relleno necesita una constante supervisión y mantenimiento, aún más cuando sus componentes químicos son solubles (se diluyen periódicamente con el agua). Debe considerarse que el material químico del relleno no debe ser contaminante y corrosivo, las características principales del relleno es que deben ser capaces de retener la humedad y de no diluirse fácilmente con presencia de agua (de riego o lluvia).
Entre los materiales de relleno más utilizados y de buenos resultados tenemos los siguientes:
RELLENO BENTONITA (montmorillonita)
YESO
CARACTERÍSITCAS Es un tipo de arcilla natural con un pH de 10.5, retiene de buena manera la humedad, tiene baja resistividad (5Ω-m) y no es corrosivo. Este tipo de relleno es recomendado para pozos medianos. Este tipo de material de relleno puede ser mezclado con la bentonita o con suelo natural, este material es levemente soluble y de baja resistividad (5-10 Ω-m), tiene un pH de entre
(sulfato de calcio) SALES
6.2-6.9, tampoco es corrosivo. Una solución con agua entre sales y catalizadores en proporciones adecuadas forman un gel estable (firme), este gel tiene una resistividad muy baja (1 Ω-m), tiene buenas cualidades de
(gel)
insolubilidad al agua y es un buen retenedor de humedad.
Materiales utilizados en el relleno del pozo para mejorar sus características eléctricas. Información obtenida del Manual de Mallas de Tierra de PROCOBRE.
Conexión del Electrodo al Tablero
Finalizado el proceso de construcción del pozo y relleno del mismo conjuntamente con el electrodo, se procede a tender el cable desde el electrodo al tablero principal de la acometida, este tendido será realizado a través de tubería PVC o metálica anticorrosiva (galvanizada), este se encontrará enterrado a una profundidad moderada capaz de proteger al conductor de daños físicos y de la humedad.
.
Electrodo Común Para el Sistema de puesta a Tierra En la industria por lo general se elaboran diferentes sistemas independientes de tomas a tierra, por ejemplo una para telecomunicaciones, otra para un centro de cómputo, una para potencia, etc. provocando que entre cada sistema se forme una resistencia interna. Cuando por ejemplo se presenta una falla a tierra del sistema de potencia o una descarga eléctrica (en el peor de los casos) en las inmediaciones de la infraestructura o directamente en el pararrayos con su respectiva puesta a tierra, se registran corrientes de gran intensidad en las vecindades de todas las puestas a tierra presentes, estas corrientes son denominadas “corrientes extraviadas o stray currents”.
René Sandoval – Sandoval –
[email protected]
Al existir resistencia entre cada toma de puesta a tierra ( Ra-Rb-Rc-Rd ), y a consecuencia de estas corrientes extraviadas ( Irayo), se crean diferencias de potenciales, muchas de las veces de mayor magnitud que el voltaje de alimentación. La repercusión de esta diferencia de potencial es la causante de la destrucción de aparatos electrónicos comúnmente y es la causante de otros daños eléctricos en el sistema.
Para evitar este percance se sugiere que todas las tomas de puesta a tierra (todos los electrodos), se encuentren entrelazados formando un solo punto de aterrizaje para eliminar esta diferencia de potencial.
En la industria se recomienda instalar más de dos puntos de Puesta a Tierra.
Arreglos Especiales de Puesta a Tierra Existen arreglos especiales de puestas a tierra, esto debido a distintas necesidades y condiciones que exigen un tratamiento particular, a continuación se citarán brevemente los arreglos más comunes presentes en la industria cuyo análisis requiere otro tipo de investigación y estudio:
Recipientes que Alojan Materiales Inflamables. Gran parte del sector industrial posee tanques metálicos, de concreto, plásticos u otros materiales capaces de alojar combustibles en general, estos deben estar provistos de un Sistema de Puesta a Tierra que eviten que principalmente descargas de origen estático sean los causantes de una inminente combustión que acarrearía consigo consecuencias fatales.
A más de las descargas estáticas de los recipientes, los propios usuarios que manipulan este tipo de contenedores pueden ser los causantes de dichas consecuencias, mas adelante en el Capitulo 3 de este manual se tratará este tema para el sistema de pararrayos en el cual se incluye el tratamiento de puestas a tierra (Capitulo 7 del NFPA 780, Anexo K del NFPA 780).
Puesta a tierra de un depósito metálico de combustible.
Descargas Atmosféricas. Las descargas atmosféricas producidas en la naturaleza son un fenómeno cuyo desenlace puede ser fatal para todo bien material y personal, es por tal razón que se han desarrollado sistemas de protección que ayuden a canalizar este fenómeno con el fin de reducir a lo máximo los peligros que este representa, entre estos Sistemas de Protección
se encuentra el sistema de pararrayos que conjuntamente con el Sistema de Puesta a Tierra brindan la seguridad requerida.
Puesta a tierra para un sistema de Pararrayos.
Barcos y Aviones En el Capítulo 8 del NFPA 780 se realiza un breve análisis del Sistema de Puesta a Tierra y Pararrayos que forman parte de los barcos, nosotros podemos adelantar que para la referencia del Sistema de Puesta a Tierra el casco y toda la estructura metálica del barco representa la masa de la cual parte el sistema de tierra.
Cave recalcar que en la actualidad se están desarrollando barcos con materiales más livianos implicando esto la no utilización de materiales metálicos, pero al mismo tiempo se están desarrollando nuevas técnicas para el Sistema de Puesta a Tierra.
Las embarcaciones también poseen un sistema de puesta a tierra.
De igual manera los aviones necesitan del Sistema de Puesta a Tierra y Pararrayos para su sistema eléctrico y de protección, en el Anexo I del NFPA 780 se realiza un estudio referente a estos sistemas, donde el fuselaje y la estructura metálica del avión sirven de referencia para la puesta a tierra, en el mismo caso que en el de los aviones se están
estudiando otros métodos de protección de puesta a tierra ya que las nuevas tecnologías están haciendo uso de materiales no metálicos para la construcción de aviones.
Las aeronaves poseen el sistema de puesta a tierra en su fuselaje.
Temporales Cuando hablamos de Sistemas de Puesta a Tierra Temporales, hacemos referencia a generadores o maquinaria portátil, cuyo sistema eléctrico y su armadura metálica debe estar unida al chasis del vehículo que lo transporta, no se exigirá estar conectado a un electrodo de puesta a tierra NFPA 70 (NEC 250.32.). En caso de bombas eléctricas que sirvan para evacuar o inyectar algún material inflamable deberá estar conectado al Sistema de Puesta a Tierra para evitar las descargas estáticas que puedan presentarse.
Los generadores portátiles deben tener un sistema de puesta a tierra.
Vehículos de transporte especial. Los vehículos de transporte especial como por ejemplo lo son los tanqueros de gasolina, los tanqueros utilizados en las petroleras, etc, son vehículos expuestos constantemente a los efectos de fricción debido al roce producido por el viento en torno a su tanque, ocasionando así efectos de estática que pueden ser muy peligrosos. Estos vehículos de transporte especial llevan junto a su carrocería una cadena que hace las veces de Puesta a Tierra, esta se encarga de igualar el potencial con respecto a tierra del vehículo rozando constantemente contra la carretera.
Cuando existe una transferencia de combustible (en una gasolinera por ejemplo), tanto el emisor como el receptor deben estar potencialmente iguales, en el Capitulo 7 del
NFPA 780 y en el Anexo k del NFPA 780 se explica con mayor detenimiento este método de protección.
Puesta a tierra en vehículos de transporte de material inflamable.
