Sistema puesta a tierra by DARCY BLANCO

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD FERMÍN TORO CABUDARE – EDO. LARA

INTEGRANTE: Darcy Blanco CI. 22198208. PROFESOR Ing. Rosalba Siracusa

Prólogo La trascendencia de la ingeniería de puesta a tierra radica en procurar seguridad para las personas, que se encuentren en o en las cercanías de una instalación electrotécnica durante el eventual traspaso de corriente hacia la tierra, debido a una falla en el sistema eléctrico, o a descargas atmosféricas, pero también en beneficio del grado de eficiencia de los procesos técnicos involucrados y, por supuesto, en el monto de los recursos necesarios para la construcción de las instalaciones de puesta a tierra y por ende, el de la instalación electrotécnica en que esté se emplaza. El sistema de puesta a tierra debe ser diseñado tomando en cuenta las exigencias de seguridad basadas, principalmente, en las recomendaciones de la electrofisiología del trabajo, así como en los reglamentos y normas establecidos al respecto. Como veremos mas adelante existen normas que regulan la importancia de la puesta a tierra y tienen por misión entregar parámetros a los usuarios para asegurar una buena puesta a tierra. También se conocerán conceptos básicos como son los términos y lenguaje de ésta parte de la electricidad. Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de protección y de servicio, es que a existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las condiciones climáticas, y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema para medir y obtener una buena puesta a tierra. Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la realidad. Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar una puesta a tierra.

Un sistema de puesta a tierra se puede definir como un electrodo o grupo de electrodos enterrados en el suelo, con el objetivo de evitar diferencias de potencial peligrosas en equipos, instalaciones, edificios y terrenos o superficies próximas, cuando corrientes de falla o de descarga de origen atmosférica drenen a dicho sistema. Estas corrientes llegan al sistema de puesta a tierra por medio de uniones metálicas directas, que unen a todos los equipos o partes de una instalación al sistema de puesta a tierra . La denominación de puesta a tierra comprende cualquier ligazón metálica directa, sin ningún elemento de desconexión o seccionamiento, de sección suficiente, entre una parte de una instalación y un electrodo o placa metálica, de dimensiones y situaciones tales que, en todo momento, pueda asegurarse que el conjunto está prácticamente al mismo potencial de la tierra. La práctica de los sistemas de puesta a tierra tiene por objetivo primordial proteger al personal de planta y a los equipos que la conforman de daños ocasionados por tensiones peligrosas inducidas por fallas en el sistema eléctrico o por descargas atmosféricas.

Las Funciones De Un Sistema De Puesta A Tierra · Brindar seguridad a las personas. · Proteger las instalaciones, equipos y bienes en general, al facilitar y garantizar la correcta operación de los dispositivos de protección. · Establecer la permanencia, de un potencial de referencia, al estabilizar la tensión eléctrica a tierra, bajo condiciones normales de operación. · Mejorar la calidad del servicio eléctrico, disipar la corriente asociada a descargas atmosféricas 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 eléctrica siempre busca el camino de menor resistencia, y al llegar a tierra se disipa.

¿Porqué instalar un Sistema de Puesta a Tierra? Se debe instalar un sistema de puesta a tierra porque ante una descarga atmosférica o un corto circuito, sin tierra física, las personas estarían expuestas a una descarga eléctrica, los equipos tendrían errores en su funcionamiento. Si las corrientes de falla no tienen un camino para disiparse, por medio de un sistema de conexión correctamente diseñado, entonces éstas encontrarían caminos no intencionados que podrían incluir a las personas. 1. Seguridad Humana 2. Seguridad de los Equipos eléctricos o electrónicos 3. Buen funcionamiento de los equipos

Otras razones de porqué instalar un sistema de Puesta a

Tierra

• Estabilizar los voltajes fase a tierra en líneas eléctricas bajo condiciones de régimen permanente, por ejemplo, disipando cargas electrostáticas que se han generado debido a nubes, polvo, aguanieve, o la fricción de materiales o maquinaria. • Una forma de monitorear la instalación del sistema de suministro de potencia. • Para eliminar fallas a tierra con arco eléctrico persistente. • Para asegurar que una falla que se desarrolla entre los embobinados de alto y bajo voltaje de un transformador pueda ser manejada por la protección primaria. • Proporcionar una trayectoria alternativa para las corrientes inducidas y así minimizar el “ruido” eléctrico en cables. • Proporcionar una plataforma equipotencial sobre la cual pueda operar correctamente el equipo electrónico.

Tipos de Sistema Puesta A Tierra

De acuerdo a su aplicación los sistemas de puesta a tierra

son:

*Puesta *Puesta *Puesta *Puesta *Puesta

a a a a a

tierra para sistemas eléctricos. tierra de los equipos eléctricos. tierra en señales electrónicas. tierra de protección electrónica. tierra de protección atmosférica. *Puesta a tierra para sistemas eléctricos. El

propósito de aterrar los sistemas eléctricos es limitar cualquier voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o de contactos no intencionales con cables de voltajes más altos. Esto se realiza mediante un conductor apropiado a la corriente de falla a tierra total del sistema, como parte del sistema eléctrico conectado al planeta tierra.

*Puesta a tierra de los equipos eléctricos. Su propósito

es eliminar los potenciales de toque que pudieran poner en peligro la vida y las propiedades, de forma que operen las protecciones por sobrecorriente de los equipos. Utilizado para conectar a tierra todos los elementos de la instalación que en condiciones normales de operación no están sujetos a tensiones, pero que pueden tener diferencia de potencial con respecto a tierra a causa de fallas accidentales en los circuitos eléctricos, así como los puntos de la instalación eléctrica en los que es necesario establecer una conexión a tierra para dar mayor seguridad, mejor funcionamiento y regularidad en la operación y en fin, todos los elementos sujetos a corrientes eléctricas importantes de corto circuito y sobretensiones en condiciones de falla. Generalmente la resistencia a tierra en cualquier punto del sistema, no debe ser mayor a 10 Ohms. Para la conexión a tierra de los equipos, se instalan en los edificios, una barra de cobre electrolítico de dimensiones adecuadas, instaladas a unos 60 cm sobre el nivel de piso con una leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para el sistema de fuerza en las concentraciones de tableros de cada piso.

Puesta a tierra de los equipos elĂŠctricos

*Puesta a tierra de protección electrónica. Para

evitar la destrucción de los elementos semiconductores por sobre voltajes, se colocan dispositivos de protección de forma de limitar los picos de sobré tensión conectados entre los conductores activos y tierra. La puesta a tierra de los equipos electrónicos y de control, consta de una serie de electrodos instalados remotamente al edificio. En el interior se instala una barra de cobre electrolítico de dimensiones adecuadas montada a 2.60 metros sobre nivel de piso terminado con una leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para el sistema de electrónica. La resistencia a tierra máxima en este sistema debe ser de unos 2 Ohms, cuando no se alcanza la resistencia deseada, se instala algún elemento químico para reducir la resistividad del terreno y alcanzar así, la resistencia a tierra requerida.

*Puesta a tierra de protección atmosférica. Como su

nombre lo indica, se destina para drenar a tierra las corrientes producidas por descargas atmosféricas (RAYOS) sin mayores daños a personas y propiedades. Se logra con una malla metálica igualadora de potencial conectada al planeta tierra que cubre los equipos o edificios a proteger o se conforma con electrodos tipo copperweld y cable tipo pararrayos de cobre Clase 1 de 27 hilos. La distancia del edificio con respecto al sitio donde se entierre el electrodo, no debe ser inferior a 2,50 metros y debe quedar totalmente aislado de los sistemas de tierras para fuerza y para electrónica. La resistencia a tierra en cualquier punto del sistema, no debe ser mayor a 10 ohms, para lo cual en caso necesario, se implementarán arreglos de electrodos en Delta y/o un agregado de elementos químicos para reducir la resistividad del terreno, recomendados por el CEN en el articulo 250-83.

*Puesta a tierra en señales electrónicas. Para

evitar la contaminación con señales en frecuencias diferentes a la deseada. Se logra mediante blindajes de todo tipo conectados a una referencia cero o a tierra.

*Puesta a tierra de protección electrostática. Sirve

para neutralizar las cargas electroestáticas producidas en los materiales dieléctricos. Se logra uniendo todas las partes metálicas y dieléctricas, utilizando el planeta tierra como referencia de voltaje cero. Como pudo apreciar anteriormente cada sistema de tierras debe cerrar únicamente el circuito eléctrico que le corresponde.

*Puesta a tierra para sistemas eléctricos. Los sistemas eléctricos se conectan a tierra con el fin de limitar la tensión que pudiera aparecer en ellos, por estar expuestos a descargas atmosféricas, por interconexión en casos de fallas con sistemas de conexiones superiores, o bien, para limitar el potencial máximo con respecta a tierra, producto por la tensión nominal del sistema. Este tipo de conexión se denominará Tierra de Servicio. Se conectarán a tierra los elementos de la instalación necesarios como ser:

-Los neutros de los transformadores, que lo precisan en instalaciones o redes con neutro a tierra de forma directa o a través de resistencias o bobinas. -El neutro de los alternadores y otros aparatos o equipos que lo precisen. -Los circuitos de baja tensión de transformadores de medida. -Los limitadores, descargadores, autoválvulas, pararrayos, para eliminación de sobretensiones o descargas atmosféricas. -Los elementos de derivación a tierra de los seccionadores de puesta a tierra.

Un Sistema de Puesta a Tierra esta conformado por tres partes las cuales podrán ser descritas:

*Toma de tierra.

*Circuitos de interconexión. *Conexión al sistema y equipos. Cada uno de estos grupos encierra en si una diferenciación en base al tipo de sistema al cual este conectado ó el tipo de servicio que este presta, el englobar solo tres grupos no indica la inexistencia ó especialización de otros componentes, como complemento a la labor de protección.

*Toma de Tierra: En base a la definición de un Sistema

de Puesta a Tierra, podemos entender que la toma de tierra deberá ser capaz de soportar, transmitir y drenar las corrientes no deseadas dentro de los parámetros. de seguridad estimados. En una toma de tierra se encuentran involucrados varios componentes, como son: -Elementos de conexión entre los electrodos y los conductores de unión. -Electrodos. -Elementos de interconexión entre electrodos. -El suelo . Si nosotros nos aseguramos de utilizar elementos de conexión y unión adecuados, los valores de resistencia de estos elementos será despreciable, más no la impedancia que ofrecerá el suelo y el punto de transición entre los electrodos y el terreno. Por todo lo anteriormente expresado se hace importante analizar el mecanismo de conducción del suelo, como único medio de asegurar un bajo valor de resistencia.

*Circuitos de Interconexiรณn: En este grupo tenemos que considerar toda conexiรณn galvรกnica entre elementos del Sistema de Puesta a Tierra y la toma propiamente dicha Como se puede entender es un axioma que la corriente directa se transmite por la secciรณn transversal del elemento que la transporta y la tensiรณn alterna se transmite por la superficie exterior del elemento asรญ como la tensiรณn estรกtica. Por una razรณn netamente prรกctica a la hora de las instalaciones se emplean conductores trenzados los cuales podrรกn ser aislados รณ no dependiendo del tipo de instalaciรณn. Esto no descarta el hecho de utilizar elementos sรณlidos de secciรณn circular รณ rectangular. Si se toman las consideraciones necesarias para evitar la corrosiรณn galvรกnica entre elementos metรกlicos de diferente electromagnetividad, se podrรก utilizar cualquier elemento metรกlico que no represente una resistencia apreciable al conjunto. En la escogencia del tipo de material de los elementos de interconexiรณn se ha de considerar adicionalmente la vida รบtil de estos en el รกrea a ser instalados. Por ejemplo en รกreas altamente corrosivas se podrรก utilizar elemento de Cobre y en condiciones extremas hierro galvanizado รณ acero inoxidable.

*Conexiones a Sistemas ó Equipos: En este punto se consideran todos los elementos de conexión a cada equipo. Este tipo de conexión deberá ser limpia, los elementos no deberán ocasionar corrosión galvánica, el área de contacto será de 1,5 veces la sección transversal del elemento conductor como mínimo, deberá estar en un punto visible ó de fácil acceso, debe estar señalizado ó identificado con un símbolo ó extremo en color verde. Para garantizar la unión de las partes involucradas se deberá utilizar grasa conductora en base a grafito y partículas de Cobre tipo ALCOA ó similar. En estas conexiones se debe utilizar tornillería en bronce, acero inoxidable ó hierro cobrizado, estañado ó galvanizado.

Estos sistemas ó equipos podrán ser elementos pasivos: -Jaulas de Faraday. -Chasis. -Estructuras soportes. -Torres. Elementos eléctricamente activos: -Neutro de transformadores. -Neutro de tableros. -Positivos de baterías. -Neutros derivados separadamente. Elementos de filtraje, aislamiento eléctrico ó protecciones: -Interruptores. -Reles. -Descargadores. -Fusibles de función inversa. -Pararrayos.

¿Como se debe seleccionar un sistema de puesta a tierra?

*Orden de importancia. Se debe conceder la máxima importancia

a la seguridad del personal. Ante un pequeña descarga incluso pequeña existe la posibilidad de muerte, pues solo se requieren 100 milivolts y 100 miliamperes bajo ciertas condiciones para que cualquiera sufra un electrocutamiento letal. *Sistema integral. El sistema debe ser Integral, es decir, se debe perseguir firmemente tener el mismo potencial de referencia en toda la planta. Esto significa que cuando se presentara una elevación de tensión ante una descarga, consecuentemente “toda la referencia” sería la misma para todo personal y equipo.

*Aplicaciones. Del punto anterior deriva que se requieran tierra para el neutro; tierra de cero lógico, tierra para masas, tierra de pararrayos; y tierra eléctrica en tableros. De modo que aunque se mencionan distintas tierras, en realidad se trata de que todas estas necesidades imperativas de tierra, estén en la misma referencia. Pero esto tiene otra consecuencia, todos los electrodos del sistema de tierra, también deben estar interconectados; deben formar un solo sistema de tierras. Es un error tremendo creer que sea conveniente tener tierras aisladas; “ninguna” norma reconocida avala esa recomendación.

*Cálculo del sistema. Un sistema de puesta a tierra que

cumpla con las normas, debe ser calculado para disipar todo tipo de descargas, puesto que debe soportar descargas atmosféricas, también debe ser capaz de soportar las fallas de subestación de potencia. Adicionalmente, el sistema debe prevenir las tensiones de toque y de paso de riesgo para el personal. Los calibres de los cables de interconexión deben ser calculados para conducir con seguridad las corrientes esperadas, de acuerdo a cada aplicación. Se debe calcular la capacidad de corriente del sistema, tanto en nivel como en tiempo. Esto quiere decir que se debe diferenciar entre los tiempos de descarga por corto circuito atribuible exclusivamente al sistema eléctrico, y a descargas de origen atmosférico. El primero, es por conducción y tiende a cerrar hacia la fuente de generación, con niveles muy inferiores y tiempos mucho mayores (del orden de milisegundos);en el segundo caso, es por radiación puesto que la fuente es la nube, y los niveles son muy superiores pero los tiempos mucho mas breves (del orden de 50 micro segundos)

Medición y control de las instalaciones de tierras. Es necesario contralor la resistencia de una puesta a tierra, en el curso de su instalación y también en el futuro, para asegurarse que tal instalación quede eficiente en el tiempo. Todas las normas prescriben medir la resistencia de una instalación antes de ponerla en servicio, sucesivamente, debe ser controlada en forma periódica. En el caso de que sucedan accidentes, debe hacerse una revisión minuciosa en la instalación de tierra. Conexiones a tierra de protección. Deberán conectarse a tierra de protección toda parte metálica al descubierto, que forma parte de un equipo que no transporte corriente, pero que tenga posibilidades de ser recorrida por una corriente, debe ser puesta a tierra. Se exceptuarán de esta exigencia los siguientes casos: -Cubiertas de interruptores o disyuntores accesibles exclusivamente a personal calificado. -Armaduras metálicas de dispositivos calentados eléctricamente, aprobados por el laboratorio de superintendencia, para el uso den dichas condiciones, siempre que esta armadura esté convenientemente aislada de tierra. Métodos portátiles que funcionen a menos de 100 w. -Equipos eléctricos alimentados a través de transformadores de aislamiento.

Mediciones de puesta a tierra Durante la implementación de un Sistema de Puesta a Tierra se requiere el evaluar la calidad de los resultados del proyecto así como comprobar la evolución de un sistema pudiendo así programar las labores de mantenimiento necesarias. Esta medida de calidad de un Sistema de Puesta a Tierra es la medición de su valor de resistencia. La medición de la resistencia de un Sistema de Puesta a Tierra podrá ser medida por métodos auxiliares de medición los cuales pueden ser del tipo lineal y no lineal.

Medición De Resistencia De Puesta A Tierra Para realiza este trabajo se debe tener un personal competente o un instalador eléctrico autorizado, ya que estos deberían de tener noción sobre las normas básicas de seguridad en este procedimiento, puesto que conoce el equipo que se utiliza para esta medición. Las resistencias de la conexión de sistemas de puesta a tierra son de particular interés en los sistemas de transmisión de energía (bajas frecuencias), debido a la conexión.

Método De Triangulación

En donde dos tierras de ensayo auxiliares y el punto que se desea medir están dispuesto formando un triangulo. La resistencia en serie de cada par de puntos de tierra del triangulo se determina midiendo la tensión entre ellos y la corriente que circula por la resistencia de tierra que se esta midiendo.

Las resistencias de dispersión a tierra se designan como R2 y R3, mientras que la resistencia de la toma bajo ensayo se denominará R1. En estas condiciones, se miden las resistencias R1-2, R2-3 y R1-3 comprendidas entre cada par de tomas, utilizando preferentemente un puente de corriente alterna. Como R1-2 = R1 + R2, R2-3 = R2 + R3 y R1-3 = R1 + R3; resulta:

Las resistencias de cada uno de los electrodos auxiliares deben ser del mismo orden que la resistencia que se espera medir. Si las dos tomas auxiliares son de mayor resistencia que la toma de tierra bajo ensayo, los errores en las mediciones individuales serán significativamente magnificados en el resultado final obtenido con la ecuación anterior. Para tal caso se recomienda colocar los electrodos a una gran distancia entre sí.

Para las tomas de tierra de áreas extensas, las que presumiblemente tienen bajos valores de resistencia, se recomienda que las distancias entre electrodos sean del orden de la mayor diagonal del área a medir. Este método resulta dificultoso para instalaciones de puesta a tierra de grandes subestaciones y centrales generadoras, donde resulta preferible el método de la caída de tensión. Método De Los Dos Puntos En este método se mide la resistencia total conformada por la suma de las resistencias de la puesta a tierra del electrodo bajo medida más la de un electrodo auxiliar. Se asume que la resistencia de puesta a tierra del electrodo auxiliar es despreciable con respecto a la resistencia de la puesta a tierra bajo medida

El método de los dos puntos está limitado a la medida de la resistencia en sistemas de puesta a tierra residenciales. Conformados usualmente por una varilla enterrada. En esta clase de instalaciones el valor máximo permitido de resistencia de puesta a tierra alcanza 25 Ω y en algunos casos se cuenta con sistemas de suministro de agua que utilizan tuberías metálicas las cuales son usadas como electrodo auxiliar, se asume que la resistencia del sistema de suministro de agua que utilizan tuberías metálicas las cuales son usadas como electrodo auxiliar es alrededor de 1 Ω. Adicionalmente, para que el método no arroje resultados erróneos debe asegurarse que no hay presente ningún tipo de acople resistivo entre el electrodo auxiliar y la puesta a tierra en estudio, esto se logra mediante un alejamiento prudente entre estos. Este método está sujeto a grandes márgenes de error, es posible que la resistencia de puesta a tierra del electrodo bajo medida sea baja o del mismo orden de la del electrodo auxiliar.

Método De Los Cuatro Puntos Para efectuar la medición de resistividad del suelo es necesario hacer circular una corriente por el mismo, el método más usual es el de Frank-Wenner denominado también método de los 4 electrodos, tambien se utiliza el metodo Schlumberger.

Método De Wenner Electrodos Igualmente Espaciado El método de los 4 puntos de Wenner, es la técnica más utilizada comúnmente para medir la resistividad del suelo. Consiste básicamente en 4 probetas enterradas dentro de la tierra a lo largo de una línea recta, a igual distancia A de separación, enterradas a una profundidad B. El voltaje entre los dos electrodos interiores de potencia es medido y dividido entre la corriente que fluye a través de los dos electrodos externos para dar un valor de resistencia muta R en Ω.

Si la relación A/B es menor a 20 entonces se utilizara la siguiente fórmula para calcular la resistividad del terreno.

Donde: P = Resistividad en Ω.m A = Separación entre electrodos adyacentes en m o bien en cm. B = Profundidad de los electrodos en m o en cm. R = Lectura del medidor en Ω.

Método De Schlumberger Electrodos No Igualmente Espaciados Una desventaja del método de Wenner es el decremento rápido en la magnitud de la tensión entre los dos electrodos interiores cuando su espaciamiento se incrementa a valores muy grandes. Para medir la resistividad con espaciamientos muy grandes entre los electrodos de corriente, puede utilizarse el arreglo mostrado:

La corriente tiende a fluir cerca de la superficie para pequeños espaciamientos entre los electrodos, considerando que la mayor parte de la corriente que penetra depende del espaciamiento entre los electrodos. Así se asume que la resistividad medida para un espaciamiento entre electrodos “A” representa la resistividad aparente del suelo a una profundidad “B”. La información de las mediciones de resistividad puede incluir datos de temperatura e información sobre las condiciones de humedad del suelo en el tiempo en que realizo la medición

Aplicaciones Prácticas de Medición Durante las mediciones de un Sistema de Puesta a Tierra, se requiere mantener ciertas prácticas: -Nunca realizar mediciones con objetos metálicos enterrados ó semienterrados paralelos al eje de medición. -No realiza mediciones en áreas húmedas ó sometidas recientemente a riego. -En mediciones cercanas a estructuras, considerar el efecto de esta para poder evaluar su influencia. -En sótanos realizar mediciones ortogonales y considerar la orientación de los aceros estructurales. -Nunca realizar mediciones en áreas muy reducidas producto de rellenos que no reflejen la característica real del suelo donde opera la toma. Si se respetan estas sugerencias se podrá contar con una medición real y confiable.

Condiciones Físicas Para Una Buena Medición

Debido a que, al hacer una medición de la resistividad del suelo, estamos evaluando es su característica eléctrica, debemos considerar todas aquellas condiciones tanto del suelo propiamente dicho, como del ambiente que lo cubre (ó rodea). Debido a que las condiciones ambientales son las más variables y por ende las que nos pueden dar mayores niveles de error en las mediciones, debemos observar atentamente cuales son los elementos ambientales presentes y saber cuantificar su efecto sobre las lecturas. Otro elemento importante a considerar es la contaminación con materiales externos que puedan incidir en forma positiva ó negativa en la condición eléctrica del suelo. Por ejemplo, cuando realizamos una medición en un área donde se botan residuos metálicos ó sales dieléctricas, los valores de la medición van a ser incrementados por la característica eléctrica de los mencionados. Dentro de las condiciones propias del terreno debemos considerar: la continuidad de la homogeneidad del suelo en cuanto a lagranulometría (textura); las pendientes del terreno; el grado de invasión vegetal del mismo; el nivel de compactación de las capas superficiales y la profundidad del suelo ó estrato. Por otro lado, las mediciones hechas en terrenos inclinados y en sentido de la pendiente no sirven de mucho cuando se interpretan con las fórmulas experimentales en las cuales se basan los métodos. Se debe evitar el medir en el sentido de la pendiente, disminuyendo su influencia.

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