Mediciones ElĂŠctricas
Puesta a Tierra Ernesto Sandoval
"Todo mi dinero lo he invertido en experimentos para realizar nuevos descubrimientos que permitan a la humanidad vivir un poco mejor".
Prólogo Una de las partes más importantes de un sistema eléctrico es, curiosamente, la protección de tierra. Normalmente se conoce con el nombre de puesta a tierra, toma de tierra o simplemente tierra, y se trata de un cable cuyo aislante suele ser verde y amarillo, que está conectado a las partes metálicas de la estructura del edificio y a una pica enterrada en el suelo, que le da su nombre. La característica principal de este cable es que tiene muy baja resistencia, por lo que en el caso de un fallo eléctrico, la corriente tenderá a ir por él, y no por el cuerpo de una persona. En casi todos los enchufes de la casa se encuentra un contacto especial para la toma de tierra, y ya depende del aparato el utilizarla o no.
Contenido Sistemas de puesta a tierra Instalación de Puesta a Tierra METODOS PARA MEDIR IMPEDANCIAS DE PUESTA A TIERRA
Sistemas de puesta a tierra en las instalaciones de cableado estructurado
Entretenimiento: Infografía… Paso a Paso
Ernesto Sandoval Ingeniería Eléctrica Universidad Fermín Toro
Sistemas de puesta a tierra Con cierta frecuencia se piensa que cualquier objeto metálico puesto a tierra puede ser tocado sin peligro. Este error de concepto ha dado lugar a graves accidentes desde los primeros tiempos de la electrotecnia. La experiencia ha demostrado que aún en el caso de puestas a tierra bastante «seguras» (muy baja impedancia) pueden aparecer tensiones peligrosas en la instalación. Ello nos debe hacer reflexionar sobre el hecho de que las puestas a tierra no garantizan la inocuidad de los sistemas de puesta a tierra en las instalaciones eléctricas sino que incluso, en determinados casos (transferencias de tensiones, contactos directos... etc.) pueden ser el coadyuvante y el amplificador de la gravedad del accidente. Es necesario tener presentes los valores de la resistencia de puesta a tierra y el de la intensidad que puede fluir hacia el terreno. Cuanto mayor sea el producto Rpat . Ipat, mayores serán los gradientes de tensión que podrán aparecer en el sistema de puesta a tierra (figura 1). Para limitarlo, deberán tomarse las precauciones oportunas en el proyecto de cualquier instalación eléctrica.
Los gradientes de tensión que pueden aparecer en la superficie del terreno en caso de producirse un defecto a tierra podrían poner en peligro la integridad física de las personas que se encuentren próximas y provocar la destrucción del material eléctrico y electrónico situado en su radio de influencia; incluso en el caso de que en el lugar del defecto existieran elementos conductores tales como: conducciones metálicas, cercados, conductores apantallados, etc. podrían transferirse tensiones peligrosas a lugares muy alejados.
Los factores que intervienen en estas condiciones de peligro son: • La elevada magnitud de la corriente de falta en relación al área ocupada por el sistema de puesta a tierra. • Resistencia del sistema de puesta a tierra insuficientemente baja. • Resistividad del suelo y distribución de las corrientes de paso a tierra tales que permitan la aparición de gradientes de tensión importantes en la superficie del terreno. • Presencia de un individuo en el lugar, instante y posición tales que esté en contacto con puntos de diferente potencial. • Suficiente duración de la falta para causar daño a las personas. La coincidencia de todos estos factores es difícil, por lo que a veces se admiten ciertas reducciones en los proyectos de p.a.t. para no tener en cuenta la simultaneidad de todas las circunstancias desfavorables.
Instalación de Puesta a Tierra
La instalación de un Sistema de Puesta a Tierra permite la protección de las personas y los bienes contra los efectos de descargas atmosféricas o caídas de rayos, fallas de corto circuito, descargas estáticas, señales de interferencia electromagnética y corrientes de fugas a tierra. Por lo tanto, la ejecución correcta de la misma brinda importantes beneficios al evitar pérdidas de vidas, daños materiales y económicos e interferencias con otras instalaciones.
Instalación de Puesta a Tierra Las distintas normas de aplicación (RETIE), NORMA NTC 2050 establecen que deben ponerse a tierra las partes metálicas de los aparatos e instalaciones que no pertenezcan al circuito de servicio, y puedan entrar en contacto con partes sometidas a tensión en caso de avería o establecimiento de arcos. Por este motivo, en los aparatos y en las partes de la instalación hay que prever un cable de Puesta a Tierra que se conecte directa o indirectamente a la toma de Puesta a Tierra, constituido por electrodos y mallas de conductores enterrados convenientemente. Para una acción eficaz, resulta primordial que la Resistencia de Puesta a Tierra tome un valor tal que no origine tensiones peligrosas al circular la corriente de falla; por lo que su valor está perfectamente acotado por las normas de aplicación (RETIE), IEEE 80 para los distintos tipos de instalaciones. La base para un buen Sistema de Puesta a Tierra comienza con la selección del mejor lugar de emplazamiento y el estudio del suelo que rodeará a la toma, procurando localizar el área con la más baja resistividad. Luego de su instalación, se debe ensayar la toma de tierra propiamente dicha, para verificar que su valor se corresponde con el de diseño. Finalmente se recomienda realizar controles periódicos para detectar cambios en los valores correspondientes. Por todo lo anterior, la medición correcta de la Resistividad del Terreno y de la Resistencia de Puesta a Tierra de una instalación determinada adquiere una importancia relevante.
UNCIÓN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Protección del recurso humano Protección de instrumentos y/o equipo. Limitar problemas de diafonía y ruido Como elemento de retorno. Cuando hablamos de Sistema de Puesta a Tierra – Pararrayo y de Protección, bien sea para: Sistemas de Energía, Cómputo, Comunicaciones, Equipos electrónicos, PLC, Quirúrgicos, de Laboratorio, Registro, Control, Diagnostico, Rayos X, etc, etc …… ¿Contra que protegernos? 1- Contra Contacto Directo: Consecuencia de descarga atmosférica en contacto directo con personas, cables de alta tensión, redes secundarias, redes de datos ó sistemas de comunicaciones. Las descargas atmosféricas son la principal causa de pérdidas humanas y económicas
2- Contra sobre tensiones: Su origen puede ser producto de una descarga Atmosférica en un punto lejano de un circuito, falla de corto circuito ó por conmutación de línea, manipulación incorrecta de circuitos eléctricos comerciales, por conexión, desconexión y oscilación de cargas. También son fuente de inducciones, la incorrecta implementación de redes de comunicaciones y datos con circuitos de energía.
Tomado de: http://www.colombiansolarsystems.com/86-puesta-a-tierra.html
Métodos para Medir Impedancias de Puesta a Tierra La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad de la roca, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una subestación, planta generadora o transmisora en radiofrecuencia. Asimismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas.
En general, los lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión. En este punto es necesario aclarar que la medición de la resistividad del terreno, no es un requisito para obtener la resistencia de los electrodos a tierra. Las conexiones de puesta a tierra en general poseen impedancia compleja, teniendo componentes inductivas, capacitivas y resistivas, todas las cuales afectan las cualidades de conducción de la corriente.
Las resistencias de la conexión son de particular interés en los sistemas de transmisión de energía (bajas frecuencias), debido a la conexión. Por el contrario, los valores de capacitancia e inductancia son de particular interés en altas frecuencias como en comunicaciones de radio y descargas atmosféricas. Además de lo anteriormente expuesto, las mediciones de puesta a tierra se hacen para: Proteger efectivamente los sistemas contra los efectos de las descargas atmosféricas. Proporcionar un medio para disipar la corriente eléctrica en la tierra bajo condicione normales o de corto circuito, sin exceder ningún limite operacional de los equipos o suspender la continuidad del servicio. Minimizar la interferencia de los circuitos eléctricos de transmisión y distribución con los sistemas de comunicación y control.
Principios y Métodos de Puesta a Tierra Dentro de los propósitos principales para los cuales se determinan los valores de impedancia de puesta a tierra están: Determinar la impedancia actual de las conexiones de puesta a tierra. Como control y verificación los cálculos en el diseño de sistemas de distribución de puesta a tierra. La adecuación de una puesta a tierra para transmisión de radiofrecuencia. La adecuación de la puesta a tierra para protección contra descargas atmosféricas. Asegurar, mediante el diseño apropiado de la puesta a tierra, el buen funcionamiento de los equipos de protección. A la par de la resistencia de valor óhmico (activa), existe una componente reactiva que hay que tener en cuenta cuando el valor óhmico es menor a 0.5 W , pero es despreciable cuando el valor óhmico es mayor a 1 W .
La resistencia de toma de tierra es, prácticamente, la resistencia del volumen del material del terreno que rodea el elemento de la toma hasta una distancia aproximada 5 m. Las mediciones de tierra deben realizarse, no solo durante la energización, sino periódicamente para determinar las posibles variaciones.
La medición de resistencia a tierra de electrodos es una técnica que requiere conocer aparte del método de medición, algunos factores que afectan los resultados de las mediciones, y que son: El tipo de prueba. El tipo de aparato empleado. El lugar físico de las puntas de prueba
Tipo de Prueba Existen dos tipos de pruebas fundamentalmente. Las demás son variaciones de éstas. Aunque muy parecidas, los resultados de las mediciones no son exactamente los mismos. Los métodos son: a) Método de caída de potencial. Llamado también: Tres Puntos, 62%, etc. b) Método Directo. También conocido como: Dos Puntos. - No reconocido en la NOM-001-SEMP-1994
Tipo de Aparato No todos los aparatos de medición de resistencia a tierra trabajan de la misma manera. Existen diferencias muy marcadas en el tipo de corriente empleada. A manera de ilustrar estas diferencias, los aparatos más utilizados en nuestro medio son el Vibroground y el Megger de tierras. Ambos emplean corriente alterna para la medición pero el primero a una frecuencia de 25 Hz, el último a 133 Hz. Y los voltajes en circuito abierto son respectivamente de 120 y 22 Volts.
Lugar Físico Las varillas electrodos de los instrumentos de medición pueden ser colocadas en todas direcciones como a una infinidad de distancias entre ellas. Aunque es el mismo punto de medida, las lecturas no son idénticas; a veces ni en terrenos vírgenes debido a la presencia de corrientes de agua o de capas de distinta resistividad. En los terrenos industriales es aún mayor la diferencia debido a la presencia de objetos metálicos enterrados como tuberías, varillas de construcción, rieles, canalizaciones eléctricas, etc. Todos los resultados son aproximados y se requiere cuidado tanto con el equipo de prueba como con la selección de los puntos de referencia de la puesta a tierra. Dentro de los métodos para la medición de las impedancias de puesta a tierra se conocen los siguientes:
Método de la tierra conocida. Método de los tres puntos. Método de la caída de potencial. Método de la relación.
MÉTODO DE LA TIERRA CONOCIDA Este método consiste en encontrar la resistencia combinada entre el electrodo a probar y uno de resistencia despreciable.
Rx+Ro
En este método se hace circular una corriente entre las dos tomas de tierra, esta corriente se distribuye en forma similar a las líneas de fuerza entre polos magnéticos. El inconveniente de este método es encontrar los electrodos de resistencia conocida y los de resistencia despreciable.
MÉTODO DE LOS TRES PUNTOS O TRIANGULACIÓN. Consiste en enterrar tres electrodos (A, B, X), se disponen en forma de triángulo, tal como se muestra en la figura 2, y medir la resistencia combinada de cada par: X+A, X+B, A+B, siendo X la resistencia de puesta a tierra buscada y A y B las resistencias de los otros dos electrodos conocidas. Las resistencias en serie de cada par de puntos de la puesta a tierra en el triángulo será determinada por la medida de voltaje y corriente a través de la resistencia. Así quedan determinadas las siguientes ecuaciones:
R1= X+A R2= X+B R3= A+B De donde X= (R1+R2-R3)/2
Este método es conveniente para medidas de resistencias de las bases de las torres, tierras aisladas con varilla o puesta a tierra de pequeñas instalaciones. No es conveniente para medidas de resistencia bajas como las de mallas de puesta a tierra de subestaciones grandes. El principal problema de este metodo es que A y B pueden ser demasiado grandes comparadas con X (A y B no pueden superar a 5X), resultando poco confiable el calculo.
MÉTODO DE LA CAIDA DE POTENCIAL
Es el método mas empleado, los electrodos son dispuestos como lo muestra la figura 3; E es el electrodo de tierra con resistencia desconocida; P y C son los electrodos auxiliares colocados a una distancia adecuada (). Una corriente (I) conocida se hace circular a través de la tierra, entrando por el electrodo E y saliendo por el electrodo C. La medida de potencial entre los electrodos E y P se toma como el voltaje V para hallar la resistencia desconocida por medio de la relación V/I . La resistencia de los electrodos auxiliares se desprecia, porque la resistencia del electrodo C no tiene determinación de la caída de potencial V. La corriente I una vez determinada se comporta como contante. La resistencia del electrodo P, hace parte de un circuito de alta impedancia y su efecto se puede despreciar.
MÉTODO DE LA RELACIÓN En este método la resistencia a medir, es comparada con una resistencia conocida, comúnmente usando la misma configuración del electrodo como en el método de la caída de potencial. Puesto que este es un método de comparación, las resistencias son independientes de la magnitud de corriente de prueba. La resistencia en serie R de la tierra bajo prueba y una punta de prueba, se mide por medio de un puente el cual opera bajo el principio de balance a cero.
Sistemas de puesta a tierra en las instalaciones de cableado estructurado Las instalaciones de cableado estructurado deben de ser puestas a tierra con el objeto de conseguir las tres siguientes ventajas: • • •
Protección de las personas que manipulan los diferentes equipos electrónicos y armarios de cableado, ante averías fortuitas que pueden provocar que las masas metálicas de los elementos anteriores queden bajo tensión. Protección de los equipos electrónicos activos ante descargas eléctricas provocadas por fenómenos atmosféricos Protección de los equipos electrónicos y del propio cableado estructurado ante interferencias electromagnéticas.
Se debe de recordar que la práctica totalidad de las redes de suministro de energía eléctrica utilizan el sistema TT. En este sistema el neutro está unido a tierra en las subestaciones y/o transformadores que alimentan al usuario final. Esta conexión a tierra del neutro tiene como objeto el “evitar la aparición fortuita de tensiones compuestas entre fase y tierra”, cuando por una avería una fase queda conectada a tierra o bien por las propias capacidades distribuidas a tierra que tienen todas las líneas de alimentación eléctrica.
El sistema TT anterior protege a los usuarios de sufrir una fuerte descarga eléctrica (tensión compuesta entre fases) al tocar de forma accidental una fase y estar haciendo contacto con tierra con otra parte del cuerpo. Pero por contra, ahora cuando un usuario toca una fase o un equipo eléctrico con cubierta metálica y con defecto de aislamiento en su interior, siempre recibirá una descarga eléctrica.
Sistemas de puesta a tierra en las instalaciones de cableado estructurado Para evitar ese peligro se hace necesario conectar a tierra también todas las masas metálicas de los equipos eléctricos y electrónicos que están conectados a la red eléctrica. De esta manera, si se produce un fallo de aislamiento eléctrico en uno de estos equipos, al tocar de forma accidental su cubierta metálica no habrá peligro de descarga eléctrica, ya que dicha cubierta metálica está unida directamente a tierra y por tanto, la persona que está tocando dicho equipo, está cortocircuitado por esa conexión a tierra. En una instalación de cableado estructurado, tanto los equipos activos como switches y routers, y los propios racks metálicos contienen conexiones a la red eléctrica, y por tanto un fallo de aislamiento en los mismos conduciría a la situación de peligro anteriormente indicada. Una conexión a tierra de dichos armarios o racks y de los equipos electrónicos allí instalados es de caracter obligatorio. Por otro lado, debido al efecto de “jaula de Faraday”, si un armario o rack de comunicaciones está conectado a tierra, cualquier descarga eléctrica de tipo atmosférico que pudiera afectar al cuarto de telecomunicaciones será conducida a tierra y se evitarán posibles averías en los equipos activos de red situados en el interior de armario o rack.
La explicación a este fenómeno es relativamente sencilla: Para que circule corriente eléctrica por cualquier sistema, debe de existir una diferencia de potencial en los extremos. Si el sistema en cuestión –una persona, un aparato electrónico, etc – está rodeado por una superficie metálica conductora, la diferencia de tensión entre cualquier par de puntos es nula, y por lo tanto no puede circular corriente eléctrica por la persona o aparato electrónico situado en el interior.
Sistemas de puesta a tierra en las instalaciones de cableado estructurado Las normas TIA/EIA 568-C remiten al estandar TIA/EIA-J-STD-607-A para fijar los diferentes aspectos técnicos referentes a la puesta a tierra y apantallamientos en instalaciones de cableado estructurado. Con caracter general se deberán tener en cuenta los siguientes aspectos: La pantalla de los cables ScTP deberá ser conectada a tierra en el distribuidor de cableado horizonta, mediante unión a la barra de tierra del cuarto de telecomunicaciones. La conexión a tierra en el área de trabajo se logra mediante la propia conexión a tierra disponible en la conexión a la red eléctrica de los equipos de usuario. Para que esto sea posible, los latiguillos deben de ser también de tipo ScTP. En el área de trabajo la diferencia de tensión entre la toma de tierra de la red eléctrica y la pantalla de protección de los cables ScTP no debe de exceder de 1v eficaz. Si hubiera una tensión superior, debe de ser corregida la anomalía antes de proceder a usar el cable. En el cuarto de entrada de los servicios de telecomunicaciones deben de ser instaladas barras de cobre de un espesor de 1/4 de pulgada (6,3 mm), una anchura de4 pulgadas(10 cm) y de longitud variable. En los cuartos de telecomunicaciones su anchura será de2 pulgadas(5cm). Estas barras de cobre estarán perforadas a intervalos regulares y en dichos orificios se atornillaran las conexiones de tierra de racks, equipos activos de red y protectores contra sobretensiones. Las barras de cobre estarán unidas entre sí y con la tierra del edificio por un cable de color verde de al menos 6 AWG, siendo un valor recomendado 3 AWG.
Sistemas de puesta a tierra en las instalaciones de cableado estructurado Como se ha indicado anteriormente, a fin de minimizar las interferencias electromagn茅ticas en el cableado vertical y horizontal, cuando se usa cable de pares, en una instalaci贸n de cableado estructurado, es necesario el empleo de cables apantallados. Estos cables apantallados (ScTP) deben de tener una correcta conexi贸n a tierra de sus pantallas mediante latiguillos del mismo tipo y conectados a los equipos de usuario, los cuales deber谩n estar convenientemente conectados a tierra.
Sistemas de puesta a tierra en las instalaciones de cableado estructurado Cuando la instalación de cableado estructurado comprende varias plantas en un edificio, el procedimiento de conexión de tierras se debe de extender a la totalidad de las plantas, tal y como se muestra en la siguiente figura
Ejemplo de arqueta de la puesta a tierra de un edificio
Obviamente todo lo anterior exige una buena toma de tierra en el edificio. Si esta conexión a tierra es defectuosa o se encuentra en mal estado, el sistema de protección instalado no cumplirá su función. Las conexiones a tierra de los edificios se realizan mediante un sistema de picas (barras de cobre) insertadas en la tierra a cierta profundidad, y normalmente protegidas mediante una arqueta por la que tiene que entrar el agua de la lluvia, a fin de que el terreno mantenga un cierto grado de humedad.
Detalle de la arqueta de puesta a tierra
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