Instituto Tecnolgico de MoreliaInstalaciones elctricas Tema 4:
Tableros De Baja Tencin
Alumnos: Manuel Fabbri Garca Guillermo Arredondo Gonzlez
Stephany Farfn Ramrez Jorge Fernando Cortes Cirios Miguel Angol
Snchez HurtadoProfesor: J .Guadalupe Linares Garcia
Sistemas de Puesta a Tierra6.1.- Generalidades de los sistemas
de tierra. Arreglos y componentes
Puesta atierrasignifica el aterramiento fsico o la conexin de
unequipoa travs de un conductor hacia tierra.La tierraest compuesta
por muchosmateriales, los cuales pueden ser buenos omalos
conductoresde laelectricidadperola tierracomo un todo, es
considerada como un buen conductor. Por esta razn y como punto de
referencia, al potencial de tierra se le asume cero.
Laresistenciade un electrodo de tierra, medido en ohmios, determina
quetan rpido, y a que potencial, la energa se equipara. De esta
manera, la puesta a tierra es necesaria para mantener el potencial
de los objetos al mismo nivel de tierra.
EnsntesislosSistemasde Puesta a Tierra nos protegen
deSobretensiones(Perturbaciones), de manera de garantizar:
Proteccin alpersonaly a los equipos. Fijar un potencial de
referencia nico a todos los elementos de la instalacin.Para cumplir
con esto, lasredesde tierra deben tener 2 caractersticas
principales: Constituir una tierra nica equipotencial. Tener un
bajovalorde resistencia.Se aclara que la resistencia delsuelovara
con latemperatura, la humedad y la acumulacin de
sales.SobretensionesLas sobretensiones transitorias son un
incremento de voltaje de corta duracin entre 2 conductores (en
nuestro caso entre 2 fases entre fase y neutro).Cuando esta tensin
llega a los equipos y supera el nivel detoleranciade algn
componente, los mismos resultarn daados.Las principales causas de
sobretensin son las siguientes:
1. Descargas elctricas (externa). Los efectos de un rayo pueden
ser ocasionados por un impacto directo (consecuencia catastrficas
para personas,animalesbienes) por causas indirectas (generan
grandes prdidas econmicas).Las causas indirectas que son las ms
numerosas, son las cadas del rayo sobre tendidos areos en las
inmediaciones, generando inducciones en estos conductores.
2. Conmutaciones de lasEmpresasde Energa (externa).
Estasoperacionesque son normales en todosistemade distribucin de
energa, pueden causar sobrevoltajes. Generalmente son ms frecuentes
en distribuciones largas y areas.
3. Contacto con sistemas de alto voltaje (externa). Sucede
cuando se rompe una lnea de alta tensin y toma contacto con
conductores de baja tensin cuando falla el aislamiento de un
transformador. Su importancia depender de la forma de conexin del
neutro (aislado a tierra).
4. Fallas de lnea a tierra (interna). Sucede cuando una fase del
sistema se pone a tierra. Su importancia depender de la forma de
conexin del neutro (aislado a tierra), ya que en el caso de Neutro
Aislado, las fases sanas reciben una sobretensin de 73% ms de lo
normal. En caso de neutro a tierra no hay sobretensin.
5. Pulsos por conexin y desconexin de cargas (interna). Estas
operaciones normales en todo sistema, pueden causar sobrevoltajes.
Generalmente son menores que tres veces el voltaje nominal y de
corta duracin. Las mismas se originan por el prendido y apagado de
grandes cargas inductivas capacitivas.
Forma de conexin de NeutroExisten 3 formas de conectar el centro
de estrella neutro del transformador.1. Neutro Aislado (Sistema
IT): en este caso el neutro est aislado de tierra puede estar
conectado a tierra ,por medio de una impedancia de alto valor.
2. Neutro a Tierra en el transformador (Sistema TT): en este
caso el neutro est a tierra slo en el transformador mientras que mi
instalacin de Puesta a Tierra tiene un punto referencia de tierra
,no conectado al neutro .Se aclara que el Neutro y el Sistema de
Tierra, se vinculan por la tierra misma.Es la forma de conexin ms
utilizada en Baja Tensin, cuando el transformador es dela
EmpresaDistribuidora.
3. Neutro yTierraen el transformador (SistemaTNS): en este caso
el neutro y mi instalacin de Puesta aTierrase conectan en el centro
de estrella del transformador y de ah se conecta rgidamente a
tierra.Es la forma de conexin ms utilizada, cuando elClientees
elpropietariodel transformador.
O sea que en general adoptamos losSistemasTT TNS, por las
siguientes razones:I. Limitar la diferencia de potencial elctrico
entre todos los objetos conductores aislados.II. Separar los
equipos ycircuitosque fallan, cuando se produce la mismaIII.
Limitar los sobrevoltajes que aparecen en elsistemaen diferentes
condiciones.
Principiosde proteccin contra las Sobretensiones Externas e
InternasPara proteger las Instalaciones en forma integral debemos
realizar lo siguiente: Realizaruna Redde Tierra Externa
(conductores enterrados y jabalinas) para evacuar la energa
proveniente del rayo o de la sobretensin hacia tierra, de manera
que esta energa no ingrese a la Planta. Realizar unaRedde Tierra
Interna (conductores conectados a partes metlicas de
tableros,estructurasde equipos y carcazas demotores) para que en el
caso de ingreso de alguna sobretensin, no exista diferencia de
potencial entre un equipo y otro, o entre partes de un mismo
equipo. Instalar las protecciones adecuadas en cada Ingreso de
conductores metlicos a la Planta. En una situacin normal las mismas
estn inactivas y caso de sobretensiones se cebarn conduciendo estas
tensiones peligrosas a tierra y de esta forma, protegiendo los
equipos.
Ensntesislas Protecciones detectan las sobretensiones y las
conducen mediante la Red Interna a la Red Externa, para su
evacuacin.Por esto vemos queestos 3 elementos (Red Externa, Red
Interna y Protecciones) son fundamentales y se necesita que estn
los 3 presentes simultneamente, para ser eficacesDe nada vale tener
una buena Red Externa sino tengo Red Interna y Protecciones y
viceversa. Esto se podra asemejar a una mesa de "3 patas".Por ello
y para una mejor comprensin dividiremos el tema en: Red Externa y
Red Interna a la Planta y adems explicaremos los diferentes
elementos de proteccin desde el punto de vista de ingreso de las
sobretensiones.Red ExternaTiene por finalidad evacuar la energa
proveniente de las Sobretensiones Externas Internas hacia tierra,
para que esta energa no ingrese al Edificio no afecte a otros
equipos.Esta red externa vincula la puesta a tierra del mstil del
pararrayos, con la puesta a tierra perimetral al Edificio de la
Planta y con la puesta a tierra de la Subestacin pilar de
acometida, mediantecabledecobredesnudo de 1x50mm2 y jabalinas
soldadas asociadas.
a) La puesta a tierra del mstil comienza en la cima con un
pararrayos tipo Franklin Piezoelctrico Inico y a continuacin existe
un cable de bajada que puede ser decobredesnudo de 50mm2 o fleje de
cobre de 30 x 2 mm2.Esta bajada deber ser lo ms recta posible
evitando cambios bruscos dedirecciny terminar en una cmara de
pararrayos cercana a la base del mstil.De esta cmara de pararrayos
saldr una pata de ganso endireccin opuesta al Edificio de la Planta
( la pata de ganso son extensiones de cable enterrado con jabalinas
soldadas ).
b) La puesta a tierra de Planta consiste en un anillo enterrado
en forma perimetral al edificio de la Planta. Este anillo que estar
formado de cable de cobre desnudo de 50 mm2 y jabalinas tipo
cooperweld de 1,5m empezar y terminar en la cmara de Edificio.
c) La puesta a tierra de la Subestacin en Sistemas TNS consiste
en vincular la cmara de Energa con la red de tierra, mediante cable
de cobre desnudo de 50mm2 .De esta cmara de Energa se conectar el
Neutro y la carcaza del transformador.
En Sistemas TT la puesta a tierra consiste en vincular la cmara
de Energa con la red de tierra,mediante cable de cobre desnudo de
50mm2.A esta cmara de Energa se conectar el borne de tierra de los
descargadores autovalvulares de pilar.
En sntesisla Red Externa deber contar con una tierra unificada
donde se vincularn: la cmara de Pararrayos con la cmara de
Edificio, mientras que la cmara de Energa lo har con el punto ms
cercano del anillo perimetral y de esta manera quedar todo
unificado. Esto significa que no existirn "Tierras
Independientes".En terrenos de alta resistividad, es difcil bajar
laresistenciapor debajo de un determinado lmite. Habr que
contentarse con unvalorun poco superior, pero s con una buena
unificacin.Si es necesario bajar un valor de resistencia, deber
agregarse conductor de cobre desnudo de 50mm2 y jabalinas tipo
cooperweld soldadas a dicho cable.Para realizar estas soldaduras se
deber utilizar el molde apropiado y una carga desoldadura.Una buena
soldadura es brillante, no es porosa y queda del mismocolorque los
elementos a unir. En caso de soldaduras defectuosas (recocida,
fracturadas o con poca seccin de contacto) lo mejor es
rehacerlas.Un consejo til es no hacer las soldaduras sobre cables
de energa, ya que en el momento de soldarse se llega a unos 1200 C
y es sumamente peligroso para las vainas o coberturas exteriores de
los mismos.Otro hecho importante es saber que cuando se deforman
los moldes, lo mejor es cambiarlos (vida til promedio 100 a 150
soldaduras).Conclusiones Red externa comn, es decir "Tierras
Unificadas" y No "Tierras Independientes". Bajo valor de
resistencia (la mayor parte de la Sobretensin se derivar a tierra y
menos entrar / transitar por la Instalacin). Hacer "Anillo" si se
puede, no es excluyente. Uso de conexiones soldadas en cables y
jabalinas (mejores contactos y menosmantenimiento). Uso de cmaras
de inspeccin donde se justifique (puntos singulares), el resto de
la instalacin de cables y jabalinas puede ir enterrado sin cmaras.
Usar cable desnudo y no aislado en pvc (esto favorece el drenaje a
tierra).Seccin mnima normada: 50mm2 Cu. En casos de instalaciones
de tierras "viejas" interconectarlas con lasnuevas, ya que ayudan
Tratar de usar un mismo material para el cable como para las
jabalinas. Montar el pararrayos lo ms alto posible (mayor carpa de
proteccin). De ser factible cercar en la bajada de pararrayos
(altas tensiones de paso en caso de descargas)
4.2. Red InternaLa red interna del Edificio consiste en tener
todos los equipos e instalaciones a un mismo potencial, para que en
el caso de ingreso de alguna sobretensin no exista diferencia de
potencial entre un equipo y otro, o entre partes de un mismo
equipo.Losobjetivosbsicos que se buscan son los siguientes:
Asegurar que las personas en el lugar estn libres deriesgosde
choques elctricos de voltaje peligrosos. Suministrar capacidad de
conduccin de corriente, tanto en magnitud como en duracin adecuada
para aceptar la corriente de falla a tierra que permite el sistema
de proteccin de sobre corriente sin provocar fuego o explosiones.
Contribuir a un funcionamiento ptimo del sistema elctricoPara
construir esta Red Interna se parte de una reja principal
dedistribucinque se conecta a la Red Externa y desde la cual se
vinculan en forma independiente (radial) mediante cable de cobre
unipolar aislado en PVC los siguientes equipos partes de
instalacin: Borne de tierra de Tablero Principal de CA. Borne de
tierra de cada Tablero Seccional de CA tanto sea deFuerzaMotriz
deIluminaciny Tomas. A partir de estos Tableros se pondrn a tierra,
cadamotory tomacorriente con tierra. Borne de tierra de equipo
deGrupoElectrgeno (de poseer) y sus elementos asociados (tanque,
caera, etc.). Borne de tierra de equipo deRadio(de poseer). Borne
de tierra de equipo de Central Telefnica (de poseer). Borne de
tierra de proteccin para cables telefnicos ymodem. Borne de tierra
de protecciones de transmisin. Estructura metlica de la nave.
Estructura metlica de tanques. Caeras metlicas degas,aguay
desages.Es de destacar que enPlantasms complejas por estar
dispuestos los equipos en distintas Salas, el criterio ser el mismo
.Desde la reja principal de distribucin se alimentar en forma
independiente una barra de cobre por Sala, desde la cual se
conectarn a tierra slo los equipos de esa Sala.Conclusiones Tener
en cuenta que conla Red Interna estamos "Poniendo el Equipo a
Tierra".Con esta medidaevitamos "daos personales ymateriales".
Realizar conexiones "Radiales" y No "En Serie".En configuraciones
en Serie si algo se afloja, pierdo continuidad "aguas abajo". Poner
a tierra en forma centralizada (a partir de 1 barra nica) ,evitando
las puestas a tierra por carga (mayor mantenimiento, mayor
resistencia, etc.) . Usar cables aislados en PVC desnudos. En caso
de cables aislados usarcdigodecolores(verde verde / amarillo). En
caso de utilizar Placas de Tierra Secundarias y haya mucha
distancia, verificar las secciones de los conductores de la Red
Interna. Evitar usar secciones de cables muy chicas (a menor seccin
mayor inductancia) .
ProteccionesPara Descargas DirectasUn rayo es una transferencia
de cargas generalmente, entre una nube yla tierra. Cuando se rompe
el aislamiento entre la nube y la tierra, se establece una
trayectoria ionizada escalonada, produciendo una corriente elevada
de descarga (valor medio 20 KA).Los rayos tienden a seguir la ruta
de menor resistencia hacia tierra y con frecuencia esta trayectoria
se encuentra en objetos altos o metlicos. En determinados casos un
objeto "alto" podra ser un edificio, una torre, una casa, un tanque
unapersona.En cierto modo el pararrayos "atrae" los rayos. Lo que
no es cierto, es que sin l el rayo caer en "otra parte".O sea que
lafuncindel pararrayos es proporcionar un camino de menor
resistencia que elairehacia tierra.Por lo expuesto el Pararrayos es
la nica proteccin contra las descargas atmosfricas (rayos).Tipos de
pararrayos: Franklin, Piezoelctrico Inico. ?Ubicacin: partes ms
elevadas de las Instalaciones estructuraespecfica para tal fin.
?Cantidad: es dependiente de las superficies y alturas a
proteger.En Plantas de poca superficie un pararrayos Franklin (de
puntas) podra andar. Protege un radio igual a su altura de
instalacin.En Plantas de poca altura y gran superficie optar por
pararrayos Piezoelctrico Inico (gran radio de cobertura). a)Por
TransmisinEste tipo de protecciones son para proteger los equipos
de Tx contra descargas directas indirectas, ya que la antena
siempre est ubicada al exterior sobre uno de los puntos ms altos de
la Planta (mstil estructura).Si no coloco estos protectores
tendrproblemasen los Radios y en sus equipos asociados.Existen 2
tipos de protecciones que trabajan sobre cada cable coaxil gua de
onda, que vincula la antena con el equipo de radio mismo: Una que
protege el exterior del cable llamada Kit de Tierra y se instala
sacando la cobertura del cable. Otra que protege el interior del
cable llamado Protector de Coaxil y se instala interrumpiendo
(cortando) el cable.Estas protecciones son multi impacto, es decir
que aguantan varias descargas antes de inutilizarse.Sus
caractersticas principales son las siguientes:Kit de tierra -Uso:
transmisin. -Destino: cada coaxil gua de onda. -Tipo o denominacin:
Uni- kit 2 CC -Cantidad por cada coaxil o gua de onda: mnimo 2 ( 1
cuando el cable se separa del mstil torre y la otra junto al
pasamuro. -Corriente de descarga: 20 KA.Protector de coaxil -Uso:
transmisin. -Destino: cada coaxil. -Tipo o denominacin: su cdigo
depende de lapotenciay frecuencia del radio. -Cantidad por cada
coaxil : 1 -Corriente de descarga: 20 KA.c) Por EnergaEste tipo de
protecciones son para proteger los equipos que se alimentan con
C.A. contra descargas directas indirectas, ya que los cables
dealimentacinde lasEmpresasDistribuidoras deElectricidadconstituyen
verdaderas "antenasnaturales".Si no coloco estos protectores tendr
problemas en los Equipos de AltaTecnologa(Tableros
Inteligentes,Computadoras, plaquetas, etc.).Existen 2 tipos de
protecciones que trabajan sobre cada fase y el neutro: Una que est
ubicada cerca del medidor llamada Descargadores Autovalvulares y se
utiliza principalmente para sobretensiones de larga duracin. Otra
que se instala dentro del Tablero Principal de CA y se utiliza
principalmente para todo tipo de sobretensiones.Estas protecciones
son multi impacto, es decir que aguantan varias descargas antes de
inutilizarse y tienen indicador de inutilizacin.Sus caractersticas
principales son las siguientes:Descargador autovalvular -Uso:
energa. -Destino: cruceta en pilar de acometida. -Tipo o
denominacin: MP / MP MOSA. -Cantidad: 1 por fase ms 1 para el
neutro. -Corriente de descarga: 2,5 KA.Protector derivacin con
"indicacin deestado" -Uso: energa. -Destino: cada del Tablero
Principal de C.A. -Tipo o denominacin: Citel DS 402 DS 404.
-Cantidad: 1 (son bipolares tetrapolares). - Corriente de descarga:
40 KA. -Puede pedirse con contactos secos para alarma. -Cambia de
color al inutilizarse (pasa de verde a rojo en algunasmarcas).
-Vienen mdulos de recambio para cada polo o el neutro.d) Por cables
telefnicosEste tipo de protecciones son para proteger los equipos
que se vinculan a Conductores Telefnicos contra descargas directas
indirectas, ya que los cables de alimentacin de las Empresas
deTelecomunicacionesconstituyen verdaderas "antenas naturales".Si
no coloco estos protectores tendr problemas en la Central
Telefnica, Central de Alarmas, Computadoras, etc.Existen 1 tipo de
proteccin que trabaja sobre cada par telefnico y sus caractersticas
principales son las siguientes: -Uso: circuito normal de cables
telefnicos tanto de ingreso como egreso. -Cantidad: 1 por par de
abonado. -Tensin nominal: 230 V+/- 10%. -Corriente de descarga: 10
KA. -Tiempode actuacin: 30 nanoseg.
Medicin de la resistencia a tierraPara medir la resistencia de
esta Red Externa se utiliza un instrumento llamado Telurmetro cuyo
principio de funcionamiento se basa en el hincado de 4 jabalinas a
saber: las 2 extremas para la circulacin de una corriente y las 2
centrales para lamedicinde tensin, de manera que el instrumento
directamente indique el valor de resistencia, es decir el cociente
entre tensin y corriente.
Regularmente se utiliza elmtodode las 3 jabalinas y para ello el
borne E del instrumento se conecta a la jabalina punto a medir,
mientras que los bornes S y H se conectan a los cables provenientes
de 2 jabalinas auxiliares dispuestas alineadas entre s y a cierta
cantidad de metros del instrumento. Despus 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 lmite superior es una directiva, pero para muchas
instalacioneslos valoresde resistencia requeridos pueden ser mucho
menores.En plaza tambin se encuentran Pinzas Medidoras de
Resistencia a Tierra
Este mtodo de medida es innovador ya que ofrece la posibilidad
de medir la resistencia sin necesidad de desconectar nada.
6.2.- Mtodos de puesta a tierra: Neutro flotante, slido, a travs
de impedanciaNeutro aisladoLos sistemas con neutro aislado son
aquellos que estn operados sin una conexinintencional del neutro a
tierraEn realidad, los sistemas aislados estn puestos a tierra a
travs de las capacidades atierra de los elementos del
sistemaVentajas: La primera falta a tierra solo causa una
pequeacirculacin de corriente capacitiva, por lo que sepuede operar
el sistema sin afectar a la continuidaddel suministro No es
necesario invertir en equipamiento para lapuesta a tierra. Si para
el sistema de proteccinDesventajas: Mayor coste de aislamiento de
los equipos a tierra. Una falta provoca que las fases sanas se
pongan a tensin compuesta respecto a tierra Mayores posibilidades
de sobretensiones transitorias por faltas con arco, resonancias y
Ferro resonancias, etc. Su uso est restringido a sistemas de
distribucin de media tensin. Requiere de esquemas de deteccin de
falta a tierra
Neutro rgido a tierraLos sistemas con neutro rgido a tierra son
aquellos que estn operados con una conexin directa del neutro a
tierra Para asegurar las ventajas de este mtodo es necesario que la
puesta a tierra sea efectiva:Neutro rgido a tierra I1 60% I3 En
cualquier punto del sistema:Ventajas: Facilidad de deteccin y
localizacin de las faltas a tierra Limitacin de las sobretensiones
por faltas a tierra y transitorias por maniobras y
rayosDesventajas: Faltas a tierra ms energticas. Se requieren
protecciones de alta velocidad para limitar los efectos trmicos y
mecnicos sobre los equipos De uso exclusivo en sistemas de AT y
MAT, por economa de los aislamientos. En MT su uso depende de la
prctica de aplicacin de cada compaa. Puesta a tierra con
resistenciaLos sistemas con neutro puesto a tierra con resistencia
son aquellos que estn operados con una conexin del neutro a tierra
a travs de una resistencia Dependiendo del valor utilizado de la
resistencia de puesta a tierra se diferencian dos mtodos: Puesta a
tierra con alta resistencia: La corriente de falta a tierra es muy
reducida, pero siempre debe ser superior a la corriente capacitiva
total del sistema (5 30 A en sistemas de MT)
Puesta a tierra con baja resistencia: La corriente de falta a
tierra es elevada, pero mucho menor que si se utiliza neutro rgido
(300 1000 A en sistemas de MT)
Ventajas y desventajas de la puesta a tierra con baja
resistencia: Similares al sistema de neutro rgido a tierra, pero
con efectos menos dainos durante la falta al haberse reducido la
corriente a tierra
Ventajas de la puesta a tierra con alta resistencia: No es
necesario dar disparo instantneo ante una primera falta a tierra
Reduccin de los daos por efectos trmicos y electrodinmicos Reduccin
de las sobretensiones transitorias por maniobras y rayosDesventajas
de la puesta a tierra con alta resistencia: Comportamiento para
faltas a tierra similar a neutro aislado. Fases sanas a tensin
Compuesta Este mtodo permite adaptar los sistemas con neutro
aislado, mejorando el comportamiento frente a sobretensiones
transitorias sin necesidad de modificar el sistema de proteccin
Puesta a tierra con reactanciaLos sistemas con neutro puesto a
tierra con reactancia son aquellos que estn operadoscon una conexin
del neutro a tierra a travs de una reactancia de valor
fijoVentajas: Permite reducir las sobretensiones transitorias
siempre y cuando: I1 > 25% I3 (60% valor preferente)Desventajas:
La reduccin de la corriente de falta no es tan elevada como en el
caso de puesta a tierra con resistencia, por lo que no es una
alternativa a esta ltimaEste mtodo se utiliza fundamentalmente para
puesta a tierra de neutros de generadores y para puesta a tierra de
transformadores de subestacin
Puesta a tierra resonanteLos sistemas con neutro resonante son
aquellos que estn operados con una conexin del neutro a tierra a
travs de una reactancia de valor variable, denominada bobina
PetersenEl coeficiente de induccin de la bobina se ajusta para que
resuene con la capacidad a tierra del sistema, de forma que para
una falta a tierra, la corriente de falta queda reducida a un
pequeo valor resistivoVentajas: Durante una falta a tierra la
corriente es muy reducida y est en fase con la tensin, por lo que
las faltas con arco se extinguen fcilmente Una falta a tierra no
implica disparo instantneo, por lo que se mejora la continuidad del
suministroDesventajas: Similar a neutro aislado, las fases sanas se
ponen a tensin compuesta durante la falta. El sistema de proteccin
es algo ms complejoEs un mtodo de puesta a tierra de redes de MT
muy utilizado en Europa central
6.3.-Medicin de resistencias y potenciales a tierra
Mtodo de Cada de Potencial
Resistividades de terrenosConocer la resistividad del terreno es
especialmente necesario para determinar el diseo de la conexin a
tierra de instalaciones nuevas (aplicaciones en campo abierto) para
poder satisfacer las necesidades de resistencia de tierra. Lo ideal
sera que encontrase un lugar con la menor resistencia posible.
Pero, como hemos dicho anteriormente, las malas condiciones del
terreno pueden superarse con sistemas de conexin a tierra ms
elaborados.Este es el mtodo ms empleado para la medicin de la
resistencia de sistemas de tierra. Este mtodo tambin es conocido
por algunos autores como: Mtodo de las dos picas Mtodo de los tres
puntos el mtodo del 62%El medidor de uso comn para la prueba de
resistencia de tierra es el hmetro de tierras que debe tener una
calibracin vigente.El mtodo consiste en hacer circular una
corriente entre dos electrodos: uno llamado E que corresponde a la
red de puesta a tierra y un segundo electrodo auxiliar denominado
de corriente (C) y medir la cada de potencial mediante otro
electrodo auxiliar denominado de potencial (P), Figura 1.
Conociendo el valor de tensin y el valor de corriente se podr
obtener el valor de la resistencia mediante ley de Ohm (V/I).La
resistencia de los electrodos auxiliares se desprecia, porque la
resistencia del electrodo C no tiene determinacin de la cada de
potencial V. La corriente I se comporta como constante. La
resistencia del electrodo P, hace parte de un circuito de alta
impedancia y su efecto se puede despreciar.
Los electrodos de potencial y corriente (C y P) deben clavarse a
una profundidad de 50 a 60 cm aproximadamente, y deben estar
firmemente clavados en el suelo y tener un buen contacto con
tierra.Con el fin de obtener una medida correcta, los tres
electrodos deben estar bien alineados y la distancia entre E y P
debe ser un 62% de la distancia entre E y C (Distancia Total, DT).
Esta distancia est basada en la posicin tericamente correcta para
medir la resistencia exacta del electrodo para un suelo de
resistividad homogneo.La localizacin del electrodo P es muy
importante para medir la resistencia del sistema de puesta a
tierra. La localizacin debe ser libre de cualquier influencia del
sistema de puesta a tierra bajo medida y del electrodo auxiliar de
corriente. La distancia aconsejable entre el electrodo de puesta a
tierra E y el de corriente C es de 20 metros. Para comprobar la
exactitud de los resultados y asegurar que el electrodo bajo prueba
est fuera del rea de influencia del de corriente, se deber cambiar
de posicin el electrodo de potencial P. La primer medicin se hace
con el electrodo auxiliar P a la distancia 0.62 x DT. La medicin se
debe repetir a las distancias 0.52 x DT y 0.72 x DT.Si los dos
resultados obtenidos no difieren en ms de un 10 % con respecto a
0.62 x DT, entonces el primer resultado ser el correcto. En caso de
una diferencia superior al 10 % se debe incrementar la distancia
entre el electrodo auxiliar de corriente C y el electrodo de puesta
a tierra bajo prueba E, repitiendo el procedimiento anterior hasta
que el valor de resistencia medido se mantenga casi invariable.Se
recomienda repetir el proceso variando la posicin de los electrodos
auxiliares C y P con respecto al electrodo de tierra (180 o al
menos 90). El resultado final a considerar ser el valor medio de
los resultados obtenidos.Una excesiva resistencia de los electrodos
auxiliares puede impedir que la corriente que debe pasar por el
electrodo de corriente C pase por el mismo o que no se pueda medir
el potencial a travs del electrodo potencial P. Muchos equipos de
medicin cuentan con indicadores que parpadean si la medida no es
vlida. Esto puede deberse a un mal contacto con el suelo o por
elevada resistividad del mismo. En estos casos, se recomienda
compactar la tierra que rodea a los electrodos de modo que se
eliminen capas de aire entre los mismos y la tierra. Si el problema
es la resistividad, se puede mojar el rea alrededor del electrodo,
con lo que est disminuir.Algunas de las Normas que hablan sobre
esto son entre otras SECRETARIA DEL TRABAJO Y PREVISION SOCIAL
NOM-022-STPS-2008Electricidad esttica en los Centrosde Trabajo,
Condiciones deSeguridad e higienePROTOCOLOS DE MEDICIN DE PARMETROS
VARIOSDE INSTALACIONES DE CONSUMO que provienen de Instalaciones de
Consumo de Baja Tensin.
6.4 POZOS DE TIERRAS: PREPARACIN, CONSTRUCCIN Y SELECCIN DE
COMPONENTESIntroduccinQu es un Sistema de Puesta a Tierra? Un
Sistema de Puesta a Tierra, o simplemente Tierra Fsica, es un
conjunto de elementos formados por electrodos, cables, conexiones,
platinas y lneas de tierra fsica de una instalacin elctrica, que
permiten conducir, drenar y disipar una corriente no deseada. Un
sistema de puesta a tierra consiste en la conexin de artefactos
elctricos y electrnicos a tierra, para evitar que sufran dao, tanto
las personas como nuestros equipos, en caso de una corriente de
falla. Las funciones de un sistema de puesta a tierra son:Brindar
seguridad a las personas. Proteger las instalaciones, equipos y
bienes en general, al facilitar y garantizar la correcta operacin
de los dispositivos de proteccin. Establecer la permanencia, de un
potencial de referencia, al estabilizar la tensin elctrica a
tierra, bajo condiciones normales de operacin. Mejorar la calidad
del servicio elctrico, disiparla corriente asociada a descargas
atmosfricas y limitar las sobre tensiones generadas. Por estas
razones, se recomienda que se realicen las instalaciones de puesta
a tierra debido a que la corriente elctrica siempre busca el camino
de menor resistencia, y al llegar a tierra se disipa. Por qu
instalar un Sistema de Puesta a Tierra? Se debe instalar un sistema
de puesta a tierra porque ante una descarga atmosfrica o un corto
circuito, sin tierra fsica, las personas estaran expuestas a una
descarga elctrica, los equipos tendran errores en su
funcionamiento. Si las corrientes de falla no tienen un camino para
disiparse, por medio de un sistema de conexin correctamente
diseado, entonces stas encontraran caminos no intencionados que
podran incluir a las personas. 1. Seguridad Humana 2. Seguridad de
los Equipos elctricos o electrnicos 3. Buen funcionamiento de los
equipos Otras razones de porqu instalar un sistema de Puesta a
Tierra Estabilizar los voltajes fase a tierra en lneas elctricas
bajo condiciones de rgimen permanente, por ejemplo, disipando
cargas electrostticas que se han generado debido a nubes, polvo,
aguanieve, o la friccin de materiales o maquinaria, etc. Una forma
de monitorear la instalacin del sistema de suministro de potencia.
Para eliminar fallas a tierra con arco elctrico persistente. Para
asegurar que una falla que se desarrolla entre los embobinados de
alto y bajo voltaje de un transformador pueda ser manejada por la
proteccin primaria. Proporcionar una trayectoria alternativa para
las corrientes inducidas y as minimizar el ruido elctrico en
cables. Proporcionar una plataforma equipotencial sobre la cual
pueda operar correctamente el equipo electrnico. Los costos por no
contar con un sistema de tierras y protecciones y pararrayos son
entre otros: CORTO CIRCUITOESTATICADESCARGA ATMOSFRICA- Costo de
prdidas humanas: por muerte o lesiones: adems de la irreparable
prdida de una vida de cualquier persona, es demasiado costoso para
las empresas un siniestro por accidente causado por no tener un
sistema de proteccin de falla elctrica, prdida de empleados,
demandas, sanciones por el seguro social, indemnizaciones. - Costo
de tiempos improductivos: tanto por lesiones a personas como por
maquinaria fuera de operacin. Esto es la suma de los salarios
improductivos que se tienen que pagar, unidades dejadas de
producir, o servicios dejados de prestar. - Costo de equipos
averiados (quemados) parcial o totalmente por falla elctrica: Al
anterior costo, se suma el costo del equipo a reponer o reparar. -
Costo del deducible del seguro contra daos o prdida de equipos: en
el mejor de los casos, si se cuenta con un seguro contra daos,
mnimo en un siniestro, lo que le cuesta a la empresa es el
deducible, que es del orden del 20% del valor asegurado. Cuando la
compaa aseguradora verifica que no se cuenta con sistema adecuado
de puesta a tierra, probablemente no pagar el valor asegurado, pues
esta razn es una clusula del contrato de seguro. - Costo de
ineficiencia: Por no tener un buen sistema de puesta a tierra, las
empresas experimentan prdidas de valor considerable porque sus
equipos y maquinaria no funcionan correctamente. Aspectos
importantes a cumplir para lograr tener un buen sistema de Puesta a
TierraNorma Oficial Mexicana: NOM-001-SEDE-2005-250-51. Trayectoria
efectiva de puesta a tierra. La trayectoria a tierra desde los
circuitos, equipo y cubiertas metlicas de conductores deben cumplir
los siguientes puntos: (1) Que sea permanente y elctricamente
continua; (2) Que tenga capacidad suficiente para conducir con
seguridad cualquier corriente elctrica de falla que pueda
producirse, y (3) Que tenga impedancia suficientemente baja para
limitar la tensin elctrica a tierra y facilitar el funcionamiento
de los dispositivos de proteccin del circuito. (4) El terreno
natural no se debe utilizar como el nico conductor de puesta a
tierra de los equipos. Sistema Tradicional de Puesta a Tierra: Un
Sistema tradicional de Puesta a tierra se instala utilizando una
varilla de acero con un recubrimiento de cobre mejor conocida como
varilla copperweld, este elemento ha quedado hoy en da obsoleto por
las muchas desventajas que ste representa las cuales se describen a
continuacin, entre otros: Material de fabricacin (Dismbolos,
generan par galvnico, ocasionando una vida til corta entre tres y
cinco aos). Proceso de Instalacin (a Golpes, disminuyendo su vida
til) Mtodo de instalacin (Aditivos adicional, efecto electroltico,
lo que implica un mantenimiento frecuente cada seis meses). Tipo de
terreno donde se instala: Arenoso, rocoso, pantanoso, etc.
(Dependen 100% del tipo de terreno). Humedad del terreno y poca del
ao. Son factores fundamentales para el diseo de una red de tierras
con varillas copperweld. Mantenimiento frecuente cada seis meses
Bi-direccionalidad (Logra disipar corrientes de falla pero as mismo
recibe impulsos Electromagnticos del subsuelo). Forma de disipacin
(en forma de ondas concntricas, aumenta el riesgo de corriente por
la tensin de paso y tensin de toque.Los factores antes descritos
juegan un papel importante para contar con un buen sistema de
Puesta a Tierra, y que pueda garantizar seguridad humana, seguridad
en los equipos elctricos y/o electrnicos y el buen funcionamiento
de equipos y de la Red elctrica en general. Debido a tantas
desventajas de un sistema tradicional de varillas copperweld es
difcil ofrecer un sistema de tierras confiable y de buen desempeo.
SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE TECNOLOGIA. Debido a que un sistema
tradicional de varillas copperweld No garantiza un buen desempeo,
se ha diseado un sistema estructural innovador que oferta una
plataforma eficiente de Puesta a Tierra de manera permanente. Este
sistema nace hace ms de diez aos con el nombre de MASS@TIERRA, y
dentro de sus ventajas ofrece lo siguiente: Vida til de veinte (20)
aos. Libre de mantenimiento. Gran capacidad de disipacin de
corrientes a tierra. Impedancia menor a 2 Ohm de manera constante.
Trampa magneto-activa evitando las corrientes de retorno. Una
terminacin en punta para disipar las descargas a mayor profundidad.
Compuesto acondicionador integrado en el kit. Ahorro de espacio
para la instalacin. Ahorro en tiempo de instalacin. Ahorro en costo
de implementacin. No requiere aditivos adicionales. No daa las
capas freticas, cumple la norma ISO 14000 La tabla comparativa que
a continuacin se presentamos permite valorar de acuerdo a su
comportamiento o desempeo a los dos sistemas antes mencionados.
Cmo describen las Normas Nacionales e Internacionales a un
sistema de Puesta a Tierra: National Electrical Code (NEC) En su
Artculo 100: Una Conexin conductora, ya sea intencional o
accidental, entre un circuito elctrico o equipo y la tierra, o algn
cuerpo conductor que sirve en lugar de la tierra. Secretaria del
Trabajo y Previsin Social: NSTPS-022-2008: Es la accin y efecto de
unir elctricamente elementos de un equipo o circuito a un electrodo
o a una red de puesta a tierra. Institute of Electrical and
Electronics Engineers (IEEE): Es una conexin conductora, ya sea
intencional o accidental, por medio de la cual un circuito elctrico
o equipo se conectan a la tierra o algn cuerpo conductor de
dimensiones relativamente grande que cumple la funcin de la tierra.
Qu dicen las Normas sobre el valor de Resistencia Idealmente, una
conexin a tierra debe tener una resistencia de cero ohmios. La NFPA
y la IEEE recomiendan un valor de 5 Ohms o menos. En Mxico, la
Secretaria del Trabajo y Previsin Social en su norma
NOM-STPS-022-2008 indica lo siguiente: Asegrese de que la
resistencia para Sistema de Tierras sea menor a 10 Ohms y para
sistema de Pararrayos menor a 25 Ohms. La industria de las
telecomunicaciones con frecuencia ha utilizado 5,0 ohmios o menos
como su valor para conexin a tierra o menos. El objetivo es lograr
el mnimo valor de resistencia. 6.5 CLCULO Y SELECCIN DE REDES DE
TIERRA: ELECTRODOS, MALLAS Y CONDUCTORES DE PUESTA A
TIERRA.GENERALIDADES Normalmente deben construirse con alambre de
cobre semiduro desnudo de 5.19mm (#4 AWG) como mnimo. Nunca usar
conductores tipo ACSR o AAC. Resistencia con un valor mximo de 25
en tiempo de secas, y cuando sea terreno hmedo mximo 10. Todos los
neutros contiguos y bajadas de tierra deben estar interconectados
independientemente, que no correspondan al mismo circuito o rea en
baja tensin. CLCULO DE PARMETROS Corriente de cortocircuitoEl
primer parmetro que debemos de calcular es de corriente de corto
circuito, esta corriente es la mxima que debe soportar nuestro
sistema de tierras en caso de alguna falla. El dato de la corriente
de cortocircuito se presenta como una potencia de cortocircuito
monofsica en kA y resulta de considerar la mayor corriente posible
de falla monofsica desde sistema del 13,2 kV o del sistema de
380/220 V. El valor mayor de corriente de clculo del supuesto
cortocircuito relacionado con la malla lo debe transmitir hacia
tierra. La corriente de corto circuito Icc la vamos a determinar
por medio de las siguientes formulas:
CORRIENTE TOTAL O CORRIENTE MXIMA A EVACUAR Corriente mxima de
falla a tierra Las tres corrientes, estn desfasadas 120 grados
elctricos entre s y dan como resultado un valor nulo de corriente a
tierra. Por lo tanto: Icc = It Esta corriente es igual a la
corriente de corto circuito, dicha corriente es la que nuestro
sistema de puesta a tierra soportara en caso de falla, ya sea una
sobretensin, sobrecorriente, causada por algn fallo en las lneas de
transmisin o alguna descarga atmosfrica, y tendr que guiar a travs
de nuestro sistema a puesta a tierra.CLCULO DEL CALIBRE DE CABLE
Determinar el calibre del conductor es una parte muy importante ya
que debemos considerar la capacidad de nuestra instalacin y
determinar nuestra corriente total para el caso de una falla y no
vallamos a tener problemas con ello. Al conductor de cobre se le
adjudica una capacidad de transmitir una densidad de corriente del
orden de 150 A/mm2. Por lo que calculamos el calibre de nuestro
conductor mediante la siguiente formula.
RESISTIVIDAD ELCTRICA DEL TERRENO:El calculo de la resistividad
del terreno en uno de los parmetros ms importante que debemos tomar
en cuenta para el diseo de nuestro sistema de tierras, ya que el
terreno es quien absorber las corrientes, y en base a su
resistividad es como vamos a determinar que tipo de electrodo y su
valor de resistencia.Para la medicin utilizamos un megger de
tierras como el mostrado el la siguiente imagen:
El cual su funcionamiento consta de introducir unos electrodos
al suelo a unos 30cm e inyectar corrientes para as determinar la
resistividad de este. JABALINAS O ELECTRODOS DE BARRAS Consiste
principalmente en un electrodo de cobre relleno con una mezcla de
compuestos inicos, de o 3/4 , este tipo de electrodos se usan
normalmente en sistemas de puesta a tierra para transformadores,
pararrayos, arrancadores, etc. Generalmente en la industria. TIPOS:
Vertical Horizontal Cabe mencionar que es importante que el
conductor se nico, sin aadiduras, desde el inicio hasta la conexin
con la jabalina.
ELECTRODO TIPO PLACA Placa ideal para terrenos con alta
resistividad esta hecha cobre con espesor de 2 a 6,4mm, muy
parecida en sus caractersticas a la jabalina, ya sea conforme el
diseo que el ingeniero requiera ser su utilizacin.Al igual que la
jabalina se recomienda su instalacin a una profundidad de 1.5 a 3 m
bajo tierra, no hay necesidad de instalacin por debajo de esta
profundidad ya que a partir de 5m bajo tierra es muy poco el cambio
en la resistividad de el terreno. ELECTRODO TIPO MALLA La malla de
tierra es un conjunto de conductores desnudos que permiten conectar
los equipos que componen una instalacin a un medio de referencia,
en este caso la tierra. Tres componentes constituyen la resistencia
de la malla de tierra: La resistencia del conductor que conecta los
equipos a la malla de tierra. La resistencia de contacto entre la
malla y el terreno. La resistencia del terreno donde se ubica la
malla.Generalmente este sistema de puesta a tierra se usa en casas
habitacin, edificios, centros comerciales, o lugares donde se
encuentran una mayor cantidad de masas conectadas en los circuitos
correspondientes.
Otra utilizacin es en las subestaciones grandes ya sean en sus
diversos tipos como podran ser subestaciones de generacin, de
plantas hidroelctricas, etc. Para la instalacin de estas cabe
mencionar que la conexin para este tipo de malla se diferencia de
la malla que mencionamos anteriormente, ya que esta conexin no se
realiza mediante bornes sino creando un conector uniendo los cables
mediante una fusin.
6.6 Generalidades de la proteccin contra descargas atmosfrica.
Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo
ionizando del aire para excitar, llamar y conducir la descarga
hacia tierra, de tal modo que no cause daos a las personas o
construcciones. Fue inventado en 1752 por Benjamn Franklin.Las
instalaciones de pararrayos consisten en un mstil metlico (acero
inoxidable, aluminio, cobre o acero) con un cabezal captador. El
cabezal tiene muchas formas en funcin de su primer funcionamiento:
puede ser en punta, multipuntas, semiesfrico o esfrico y debe
sobresalir por encima de las partes ms altas del edificio. El
cabezal est unido a una toma de tierra elctrica por medio de un
cable de cobre conductor. La toma de tierra se construye mediante
picas de metal que hacen las funciones de electrodos en el terreno
o mediante placas de metal conductoras tambin enterradas. En
principio, un pararrayos protege una zona terica de forma cnica con
el vrtice en el cabezal; el radio de la zona de proteccin depende
del ngulo de apertura de cono, y ste a su vez depende de cada tipo
de proteccin. Las instalaciones de pararrayos se regulan en cada
pas por guas de recomendacin o normas.
El objetivo principal de estos sistemas es reducir los daos que
puede provocar la cada de un rayo sobre otros elementos. Muchos
instrumentos son vulnerables a las descargas elctricas, sobre todo
en el sector de las telecomunicaciones, electromecnicas,
automatizacin de procesos y servicios, cuando hay una tormenta con
actividad elctrica de rayos. Casi todos los equipos incluyen
tecnologas electrnicas sensibles a las perturbaciones
electromagnticas y variaciones bruscas de la corriente. La fuente
ms importante de radiacin electromagntica es la descarga del rayo
en un elemento metlico o, en su caso, en un pararrayos. Las
instalaciones de pararrayos generan pulsos electromagnticos de gran
potencia cuando funcionan.
Pararrayos con dispositivo de cebado.Un pararrayos con
dispositivo de cebado es un pararrayos que incorpora un dispositivo
de cebado (PDC), electrnico o no, que garantiza una mayor altura
del punto de impacto del rayo, aumentando as el rea de cobertura y
facilitando la proteccin de grandes reas, simplificando y
reduciendo costos de instalacin.
Su funcionamiento se basa en el siguiente proceso:
Cuando se dan las condiciones atmosfricas para la formacin de
nubes con carga elctrica (cumulonimbus), el gradiente atmosfrico
aumenta de una forma rpida, creando un campo elctrico de miles de
voltios/metro entre nube y tierra. Durante este proceso, el sistema
PDC capta y almacena la energa de la atmsfera en su interior. El
cabezal emite un trazador ascendente en forma de impulso de alta
frecuencia a partir de la energa almacenada cuando el control de
carga detecta que est prxima la cada de un rayo (valor de tensin
cercano al de ruptura del gradiente de la atmsfera). Mediante el
trazador ascendente, se facilita un camino ionizado de baja
impedancia para la descarga hacia tierra de la energa almacenada en
la nube, a travs del conductor bajante de la instalacin,
neutralizando el potencial de tierra.El nivel de proteccin est
relacionado con la eficiencia requerida para que un sistema de
proteccin contra el rayo intercepte las descargas sin riesgo para
las personas, para la estructura y para las instalaciones. Indica
la eficacia del sistema de proteccin dentro del volumen a
proteger.
Necesidad de los pararrayosRestos de un eucalipto alcanzado por
un rayo.El rayo es un fenmeno meteorolgico que genera severos
efectos trmicos, elctricos y mecnicos, en funcin de su energa
durante la descarga. Se conocen rayos con trayectoria ascendente y
descendente, que varan de valor en funcin de la actividad
tormentosa y su situacin geogrfica. Los valores de corriente que
pueden aparecer en un solo rayo oscilan entre 5.000 y 350.000
amperios, con una media de 50.000 amperios. Las temporadas de
tormentas son cada vez ms amplias durante el ao y aparecen incluso
en invierno; su distribucin geogrfica es muy variable, y puede
haber variaciones importantes en los mapas cerunicos de la
actividad de tormentas y la densidad de rayos.
La elevada intensidad de un rayo puede provocar paro cardaco o
respiratorio por electrocucin de un ser vivo, debido al paso de la
corriente de descarga. El impacto directo de un rayo provoca daos
en las estructuras (edificios, antenas telecomunicaciones,
industrias, etc.). El impacto de un rayo disipa calor por el efecto
Joule y, por tanto, puede llegar a provocar incendios.
El cambio climtico es uno de los mayores causantes del aumento
de la actividad de tormentas y del aumento de la densidad de rayos,
y por defecto de la aparicin de tantos accidentes en instalaciones
protegidas con pararrayos en punta.7
El aumento de la actividad solar incrementa la actividad
elctrica de la atmsfera, y genera inesperadas tormentas
electromagnticas y termodinmicas que no aparecen en los modelos
climticos ni en las previsiones. Esta actividad elctrica es, entre
otros fenmenos meteorolgicos conocidos, otro detonante del aumento
de la actividad de rayos nube-tierra o tierra-nube.
Segn la Organizacin Mundial de la Salud (OMS), varios organismos
nacionales e internacionales han formulado directrices que
establecen lmites para la exposicin a campos electromagnticos (CEM)
en el trabajo y en los lugares de residencia. En este sentido,
estas directrices afectan directamente a las instalaciones de
pararrayos, ya que ponen en peligro la continuidad de la industria
y la salud de las personas en el trabajo.