Colectores vs. Preventores

EXPLICACION DE LA TECNOLOGIA DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS.

25. COLECTORES VERSUS PREVENTORES:

INTRODUCCION:

Cuando se habla de la “PROTECCION” contra “descargas eléctricas atmosféricas” (rayos), es muy común caer en el error y pensar que los diferentes tipos de solución conocidos para “tratar” los rayos son variaciones de la misma tecnología. Este no es necesariamente el caso – aunque el proceso puede ser para tratar el mismo fenómeno natural, el resultado es completamente diferente. Si bien, la varilla pararrayo es la forma más comúnmente conocida para la “protección” de las descargas eléctricas atmosféricas (rayos), existen actualmente un gran número de avances tecnológicos desde que Benjamín Franklin inventó la varilla pararrayos. 

Además de la anticuada tecnología de la varilla pararrayo actualmente hay dos nuevas tecnologías que son el Sistema de Transferencia de Carga (CTS) / (DAS)   Dissipation Array System y la Terminal Aérea o “Emisor de Flámula Temprana” (ESE). La realidad es que, aunque estos dos sistemas se usan para la “protección” de las descargas eléctricas atmosféricas (rayos), contrario a lo que la mayoría de la gente piensa, cada uno de los dos sistemas funciona en forma completamente diferente. El CTS/DAS es un Sistema PREVENTOR y elimina los rayos en el área PROTEGIDA, y el ESE es un Sistema COLECTOR y atrae los rayos igual que la varilla pararrayos, con el “RIESGO” del IMPACTO DIRECTO DEL RAYO y los EFECTOS SECUNDARIOS DEL MISMO en el área que se quiere PROTEGER. Un Sistema COLECTOR ESE, se basa en la misma tecnología de la “varilla pararrayo”, mientras que la tecnología del Sistema PREVENTOR (CTS/DAS) es completamente diferente.

 La única similitud entre los TRES Sistemas: El Sistema PREVENTOR (CTS/DAS), y los DOS Sistemas COLECTORES (ESE Y VARILLA PARARRAYOS), funcionan con el mismo fenómeno científico conocido como “Punta de Descarga”. 

Sin embargo, sus funciones difieren totalmente, el ESE y la VARILLA PARARRAYOS mueven el flujo  de iones que generan hacia la atmósfera durante la tormenta, sin tener la capacidad suficiente para descargar el área a PROTEGER lo que da origen a una saturación de la VARlLLA PARARRAYOS  que da como resultado el arco eléctrico entre la célula de tormenta (Nube Cúmulus Nimbus) y la “PUNTA”; mientras que el CTS/DAS es un Sistema Multi Puntas (calculadas) que tienen la capacidad para transferir mediante un proceso de disipación lenta hacia la atmósfera los iones generados por cientos o miles de puntas, sin llegar a la saturación.

Es muy importante entender la diferencia entre estas tecnologías. Por ejemplo, en algunas áreas no es indispensable prevenir las descargas eléctricas atmosféricas (rayos) en general, pero en cambio puede ser necesario proteger de impactos algún punto importante. Entonces es conveniente recordar que las varillas pararrayo y el Sistema ESE, atraen o colectan los rayos, y el Sistema CTS/DAS previene o elimina la posibilidad de que el rayo termine en el área protegida.

Que aprenderá Ud.:

• Como se forma la “descarga eléctrica atmosférica” (rayo) y cuáles son sus probables efectos negativos.  
• La Historia de la PROTECCION contra las descargas eléctricas atmosféricas, que empieza con la “Varilla Pararrayos”.
• Las Tecnologías y los Tipos de Protección contra rayos, modernos, incluyendo el ESE y el CTS/DAS.
• La Principal Diferencia entre estas Tecnologías y por qué su importancia.

LA FORMACION Y EFECTOS DE LA DESCARGA ELECTRICA ATMOSFERICA (RAYO) DE NUBE A TIERRA.

La mejor forma de entender las diferentes Tecnologías y su aplicación a la PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS, es fundamental; saber cómo se forma y el mecanismo de la “descarga eléctrica atmosférica”. Durante una tormenta, de manera natural se forman campos eléctricos que adquieren una gran fuerza en la atmósfera. A medida que la tormenta crece, se forman caminos de aire ionizado, conocidos como “pasos líder”, dirigidos hacia la tierra en forma escalonada. El campo eléctrico entre el paso líder y la tierra se intensifica a medida que el paso líder desciende, provocando una corriente de iones cargados con polaridad opuesta, desde la tierra (o desde Edificios, o árboles, o cualquier estructura, etc.) en grupos, formando múltiples “flámulas” (“streamers”) o pasos líder ascendentes hacia la atmósfera circundante. Cuando el “paso líder” descendente hace contacto con la “flámula” o el “paso líder” ascendente, se forma el “arco eléctrico” conocido como “descarga eléctrica atmosférica” o “canal del rayo”. Este fenómeno natural es impredecible, y no existe manera de saber dónde ocurrirá. Favor de observar la figura siguiente:

Figura 1
Formación y mecanismo del rayo.

La gran mayoría de la gente no se da cuenta de la frecuencia con que ocurren las descargas eléctricas atmosféricas (rayos). De acuerdo con el National Weather Service de los Estados Unidos de América, cada segundo ocurren 100 descargas eléctricas atmosféricas (rayos), alrededor del mundo¹.  Muchos de esos rayos no causan daño porque ocurren en sitios despoblados o donde el nivel de riesgo no existe, pero otros pueden causar daños catastróficos si el área que impactan es muy poblada o se trata de instalaciones donde se manejan productos explosivos o inflamables. Por ejemplo: En Kansas City en 2008, fue impactado por un rayo un tanque de almacenamiento de gasolina con 1.2 millones de galones, se incendió y las pérdidas fueron de $ 12 000 000.00 US. D. Cuando se incendia un tanque de almacenamiento de un producto inflamable no existe forma de apagarlo hasta que se consume todo el producto con la inevitable pérdida del tanque. Un incidente similar ocurrió en el Este de Malasya en un área de Tanques de almacenamiento de destilados de petróleo, las pérdidas fueron de $ 40 000 000.00 US. D.

El impacto directo de una descarga eléctrica (rayo), es solamente una parte del riesgo, los efectos secundarios del rayo o eventos eléctricos transitorios generados por el rayo pueden causar graves daños en grandes áreas alrededor del sitio impactado, sobre todo a los Equipos Eléctricos y Electrónicos dentro de esa área. Cuando esos “eventos eléctricos transitorios” se inducen en los circuitos  eléctricos conductores, estructuras metálicas, o tuberías de productos. Los resultados pueden ser desde: salidas de operación de plantas de proceso por daños en los sistemas automatizados, grandes subestaciones eléctricas, incendios y explosiones, por mencionar solo algunos de los riesgos. Si bien  muchas de las Instalaciones  con alto nivel de riesgo pueden Asegurarse contra Daños ocasionados por Descargas Eléctricas Atmosféricas (rayos), con primas de pago muy altas, estas deben considerarse como parte de los costos de seguridad en cualquier inversión, ya sea para pagar el Seguro o para evaluarse con el costo de un Sistema de PROTECCION contra rayos.

Sin embargo, el efecto del impacto directo de las descargas eléctricas atmosféricas en las Industrias tales como las de Petróleo  y Gas es de proporciones muy elevadas en la escala de las pérdidas. Los daños potenciales derivan no solo del impacto del rayo, tales como la pérdida del producto, y del tanque de almacenamiento como en el caso de los incidentes de Kansas City y de Malasya. 

Estos ejemplos en donde el fuego consumió todo el producto, se destruyó el tanque, también estuvo fuera de operación la instalación, el costo de las nuevas instalaciones, los costos para controlar el fuego, limpiar el área, los daños por la contaminación del medio ambiente, las multas y penalizaciones del Gobierno, pero sobre todo el riesgo en que se puso a otras instalaciones resulta impredecible.

Como estos dos ejemplos se pueden mencionar otros en donde a causa de un rayo no solo los trabajadores de Exxon Mobil en Singapur tuvieron que evacuar las Instalaciones por lo menos un día a la semana, durante varios años antes de instalar un Sistema PREVENTOR de rayos con pérdidas de muchas horas-hombre y cientos de miles de dólares. También lo hacían los habitantes del pueblo cercano a las Instalaciones de EXXON, cada vez que se activaba la alarma de incendio, huyendo a zonas de seguridad. Los tiempos de operación perdidos, estimados en meses,  registraron pérdidas en ganancias desde unos pocos cientos de miles hasta millones de dólares.

Los Ingenieros responsables de tomar las decisiones para implementar algún método de PROTECCION contra rayos en las Plantas Industriales deben considerar todos estos riesgos al hacer un Análisis de Costo – Beneficio que respalde una decisión adecuada. Desde siempre se ha considerado INDISPENSABLE, instalar un Sistema de PROTECCION contra descargas eléctricas atmosféricas (rayos) en cualquier instalación para preservar la seguridad del Personal que allí labora. En México lo establece la NOM-STPS – 0022 – 2008.

LA HISTORIA DE LA VARILLA PARARRAYOS Y LA PROTECCION CONTRA RAYOS EN SUS INICIOS.

La mayoría de la gente está más familiarizada con la forma “convencional” de “protección” contra descargas eléctricas atmosféricas por medio de la “varilla pararrayos” que se usa en el Sistema COLECTOR: que atrae al rayo hacia ella. Cuando Benjamín Franklin hizo por primera vez su experimento con las cargas eléctricas en los años 1 700’s usando un papalote, una llave, y una cuerda, El originalmente propuso que la “varilla pararrayos” podría reducir o eliminar el rayo disminuyendo el desequilibrio entre las nubes y la tierra². Sin embargo, más tarde Franklin se dio cuenta de que la “varilla” de metal conductor, entonces funcionaba conduciendo con seguridad el rayo hacia la tierra. En otras palabras, la confusión inicial fue una consecuencia de PREVENCION VERSUS ATRACCION. Esto cambió lo que Benjamín Franklin pensaba, y la prevención podría ser una opción para la “protección” contra rayos; pero la tecnología de PREVENCION no estaba disponible hace 200 años.

Las “Varillas Pararrayos” no PREVIENEN los rayos, si en cambio, los COLECTAN. Las “Varillas Pararrayos” atraen el impacto de rayo y “conducen” la energía a la tierra física, desde el Edificio o la Estructura que están protegiendo. Las “Varillas Pararrayos” han sido usadas por más de 200 años, instaladas en las azoteas de los Edificios y conectadas eléctricamente a la tierra física, para poder canalizar las descargas eléctricas atmosféricas a un punto seguro.

No obstante, en los últimos 40 años, se han desarrollado nuevas tecnologías para la PROTECCION contra rayos incluyendo una que retoma el propósito de PREVENCION que Benjamín Franklin tuvo originalmente.

TECNOLOGIAS MODERNAS DE PROTECCION CONTRA RAYOS.

EMISOR DE FLAMULA TEMPRANA (EARLY STREAMER EMITTER (“ESE”).

Muy similares a la “Varilla Pararrayos” convencional, los Sistemas ESE son COLECTORES. Sin embargo, de acuerdo con sus fabricantes, están diseñados para desencadenar el inicio de la “flámula temprana” hacia la atmósfera, lo cual incrementa la eficiencia de la atracción de la descarga eléctrica atmosférica así como la forma de aumentar el rango de efectividad en la “protección” más allá de lo que las “Varillas Pararrayos”. Las terminales aéreas ESE pueden distinguirse de las “Varillas Pararrayos” comunes debido a la presencia de un pequeño objeto cerca de la punta, el desencadenamiento de una descarga anticipada, y a que ellos pueden ser geométricamente más complejos.

Este desencadenamiento de la descarga temprana  incrementa la probabilidad para el inicio de una descarga de “Flámula” en o cerca de la punta de la varilla cuando un “Paso Líder” ionizado se acerca. Incrementando la posibilidad del encuentro de “Flámulas” y “Pasos Líder” es así como los Sistemas ESE sirven para mejorar los pararrayos COLECTORES. De acuerdo con el Instituto Nacional de Tecnología y Standards, es difícil juzgar el desempeño de los ESE: “Es casi imposible hacer informes significativos cualitativamente sobre el desempeño de los dispositivos ESE y las varillas Franklin convencionales. De hecho, información cuantitativa suficientemente confiable sobre el desempeño de las varillas convencionales, no existe”³. 

SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CARGA (“CTS”).

A diferencia de los Sistemas “COLECTORES” de rayos, el “CTS” está específicamente diseñado para “PREVENIR” la terminación del impacto directo del rayo en un área específica a la cual se quiere “PROTEGER”. Este es el único Sistema con el cual los impactos de rayo son eficazmente disipados, mejor dicho eliminados. La Tecnología del CTS/DAS está basada en Principios Físicos y Matemáticos. Como lo anota el Ingeniero Donald Zipse del IEEE:

 “Las pruebas de la efectividad de la “Varilla Pararrayos” y las evidencias que la soportan son solamente “anecdóticas y empíricas”. Sin embargo, la Tecnología CTS/DAS, está basada en Ecuaciones de Física, Electricidad y Matemáticas⁴.”

A fin de eliminar los impactos directos de rayo en un área específica, el CTS/DAS recoge la carga eléctrica inducida por la nube de tormenta sobre la superficie de la tierra en un área específica y la transfiere a la atmósfera en forma de iones a través del aire circundante, reduciendo así la fuerza del campo eléctrico dentro del área protegida. El resultado es una reducción de la diferencia de potencial eléctrico entre el Sitio y la nube de tormenta que disminuye la formación de una flámula ascendente. Al no haber conexión entre paso líder y flámula se elimina el rayo.

SISTEMA DE ARREGLO DE DISIPACION (“DAS”).

El Sistema DAS es un tipo de “PREVENTOR”, basado en la Tecnología CTS inventado y fabricado por la Cía. Lightning Eliminators & Consultants Inc. (LEC). Usando el CTS se tiene un “AREA PROTEGIDA”, un DAS puede aislar completamente de la terminación de los impactos directos de un rayo un área determinada, disipando a la atmósfera la carga inducida durante una tormenta dentro del área que se desea “PROTEGER”, reduciendo esa carga a niveles muy bajos en relación con el ambiente que le rodea. Cuando se reduce significativamente la densidad del campo eléctrico dentro del área “PROTEGIDA” se reduce la diferencia de potencial entre la nube de tormenta y el área protegida, en estas condiciones no se forman ni las “Flamulas” o “pasos líder ascendentes” ni los “pasos líder descendentes” eliminando la posibilidad  de que se produzca el “canal del rayo” y su terminación dentro del área “PROTEGIDA”.

Un estudio realizado por LEC directamente en las Instalaciones de la Cía. TRI State, la medición de la densidad del “campo eléctrico” durante una tormenta, fue de 55% menor  dentro del área protegida, en relación con el área circundante. Esta Compañía instaló el Sistema CTS/DAS en 1990, certificando y dando mantenimiento de acuerdo con un programa establecido anualmente. Reportando que desde que se instaló esta “PROTECCION” no han tenido ningún impacto de rayo dentro del área “PROTEGIDA”.

DIFERENCIAS ENTRE LAS TECNOLOGIAS DE PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS).

Las “varillas pararrayos” convencionales y los ESE tienen en común que ambos atraen el rayo. Lo más discutible en las Terminales ESE es su efectividad. Una Terminal ESE está equipada con un dispositivo que se supone incrementa la probabilidad de iniciar la flámula ascendente para conectarse con el paso líder descendente. Incrementando esta probabilidad significa que la descarga eléctrica es más probable que impacte la Terminal ESE antes que a otros puntos no deseados.

Sin embargo, el CTS/DAS ofrece un enfoque completamente diferente al de esas tecnologías: la principal diferencia es que uno COLECTA versus el otro PREVIENE los impactos de rayo. El enfoque es esencialmente opuesto. Más que fortalecer la atracción entre la flámula y el líder, un CTS/DAS la elimina, previniendo así la formación de los impactos de rayo en el área protegida como una barrera a la atracción de ellos.

Esta diferencia fundamental es lo más importante para las industrias de alto riesgo como la petrolera y el gas, áreas de tanques de almacenamiento de productos destilados del petróleo, y plantas generadoras de energía de todos los tipos. Estas instalaciones por lo general manejan productos inflamables y otros materiales peligrosos donde usando Sistemas  “COLECTORES” pueden aumentar el riesgo de incendios o tener daños en los Sistemas Electrónicos. Como Zipse puntualizó “Es aconsejable permitir el flujo de miles de amperes cerca de equipo electrónico sensible, especialmente cuando existen Sistemas de Transferencia de Carga que están disponibles en el mercado actualmente y pueden prevenir rayos en áreas “PROTEGIDAS”?”⁴. Sin embargo, también es verdad que para cualquier operación no se aceptan interrupciones por mínimas que sean. Un solo impacto de rayo, o evento eléctrico transitorio, podría significar volver a empezar el inicio de todo un proceso con pérdidas económicas por tiempo de operación fuera”. Pero utilizando PREVENCION más que ATRACCION, el Sistema CTS es la mejor opción para instalaciones donde una simple chispa podría ser catastrófica. El Sistema de Arreglo de Disipación (DAS) de LEC es la única solución disponible en el mercado para crear el área de “PROTECCION” segura en contra de los Impactos directos de Rayo.

REFERENCIAS:

1. Bechtold, W. (2005).   Average Daily Global Lightning Strikes. Message posted to: http://www.newton.dep.anl.gov/askasci/wea00/wea00239.htm  

2. Krider, E.P. (2006). Benjamín Franklin and Lightning Rods. Physics Today 

3. Los Autores del Artículo citado son Representantes del “National Institute of Standards and Technology” y están basados en una comprensible bibliografía de “ESE lightning protection” preparada a solicitud del “National Fire Protection Research Foundation”. Van Brunt, R.J., Nelson, T., & Stricklet, K.L., (2000), Early Streamer Emission Lightning Protection Systems: An Overview, IEEE Electrical Insulation Magazine 16.1. 

4. Zipse, D.W. (2001). Prevent Lightning Strikes with Charge Transfer Systems. Electrical Construction & Maintenance Magazine. Available at: http://ecmweb.com/power-quality-archive/prevent-lightning-strikes-charge-transfer-systems.

Sistemas de Puesta a Tierra

24. SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 

Sistemas de Puesta a Tierra de Vanguardia.

RESUMEN

El vertiginoso desarrollo de la Electricidad y la Electrónica han traído como consecuencia la necesidad impostergable de proteger todos los sistemas eléctricos contra los efectos secundarios de las fallas eléctricas derivadas de fenómenos naturales como las descargas eléctricas atmosféricas (rayos) o los creados por el hombre como los cortos circuitos.

La instalación de un “Sistema de Puesta a Tierra” originalmente se entendió como una medida de seguridad para prevenir condiciones de peligro o riesgo, en cualquier ambiente creado por el hombre. Sin embargo, los sistemas de puesta a tierra e interconexiones eléctricas actuales, deben estar diseñados también, para ofrecer una bajísima impedancia, para reducir el ruido en los sistemas electrónicos y de comunicación y ofrecer una protección contra voltajes transitorios.

Lograr un “Sistema de Puesta a Tierra” eficaz, requiere de un minucioso estudio de las bases de diseño de acuerdo con las condiciones geológicas y meteorológicas del sitio en donde se localizará; los métodos de diseño; pero sobre todo del respaldo Científico y Tecnológico actuales, complementado con las Guías y Recomendaciones Prácticas de Normas vigentes emitidas por  Instituciones con credibilidad y trayectorias reconocidas.

INTRODUCCION

Un sistema de puesta a tierra seguro tiene dos objetivos principales en las aplicaciones de sistemas de protección:

• Para fenómenos naturales tales como descargas eléctricas atmosféricas (rayos) proveer un medio seguro para drenar a tierra corrientes eléctricas bajo condiciones normales y de falla sin exceder los límites de las corrientes de operación y del equipo, o afectar la integridad física de las personas, y la continuidad del servicio.
• Para potenciales externos, tales como aquellos derivados de fallas en los sistemas eléctricos de fuerza, conexiones auxiliares a tierra en sistemas de seguridad de operación instantánea, en sistemas de relevadores de protección de fuerza,  proveer caminos adicionales a las corrientes de falla drenando a tierra rápidamente los potenciales externos, antes de que estos puedan causar daño físico a las personas y a las instalaciones. 

Un sistema de puesta a tierra comprende todas las instalaciones de tierra interconectadas dentro de un área específica y consiste de dos elementos básicos:

• Uno o varios electrodos de tierra. Un electrodo de tierra es según la definición del IEEE, “Un conductor enterrado que se usa para conducir y disipar las corrientes de tierra, dentro de la tierra física”. 
• Un conductor eléctrico de baja impedancia, para formar un “anillo”, o una “red” para rodear el perímetro de un área específica, con el fin de reducir la resistencia de la red de puesta a tierra.

Dentro de los requisitos básicos de diseño la Normas IEEE 80 2000, y la NRF-070-PEMEX-2004 recomiendan que “cada elemento del sistema, incluyendo los conductores de la red, las conexiones, las terminales, y los electrodos de tierra, deberán ser diseñados de acuerdo con el tiempo de vida esperado de la instalación”.

En su sección 14.5, la Norma del IEEE 80 2000, recomienda el uso de electrodos químicos que consisten de un tubo de cobre con pequeños orificios y relleno con una sal metálica, la que al saturarse de agua, se disolverá, y saldrá por los orificios mencionados acondicionando el suelo alrededor del electrodo. Esta es la mejor solución para obtener una baja impedancia a tierra, con un electrodo de larga duración.

Los electrodos deben estar aprobados por la Norma UL 467, o algún organismo equivalente.

La originalidad de los electrodos debe ser respaldada por una Garantía por escrito o por una Patente de Marca.

El Diseño correcto de un sistema de puesta a tierra, requiere de una Evaluación completa de las características del suelo en el cual se instalará, dentro de las cuales las más importantes son: la “resistividad eléctrica”, la “humedad”, la “temperatura”, la “granularidad”, y el “contenido de minerales” del suelo, básicamente. De estas características resultarán algunos de los parámetros de cálculo para determinar el número de electrodos de tierra necesarios para alcanzar el valor de resistencia a tierra “objetivo” para el sistema.

Cuando la “resistividad” del suelo sea mayor a 250 Ohm-metro, deberá tratarse el suelo con un acondicionador de muy baja resistividad (0.5 Ohm-metro, o menos), comúnmente se pone alrededor del electrodo. 

En el Diseño del sistema debe considerarse que las frecuencias de la Corriente de falla que se va a drenar a la Tierra Física son del orden de los MegaHertz, por lo que se va a presentar siempre el Efecto Skin o Efecto Piel y que por lo tanto estas corrientes no circularán por toda el área del conductor, sino cerca  o en la superficie del conductor y el electrodo de tierra. MUY IMPORTANTE.

La longitud del electrodo de tierra debe determinarse por las características del suelo y por la concentración de carga eléctrica en el primer estrato del suelo. Generalmente se encuentra en una profundidad de 1.5 metros (5 pies).

Si la magnitud de la corriente disipada dentro de la tierra es alta, rara vez es posible instalar una red con resistencia tan baja que asegure que el aumento de un potencial de tierra no generará gradientes de superficie inseguros para el contacto humano. Entonces el peligro puede eliminarse solamente con el control de los potenciales a través de toda el área. Con una red horizontal de conductores y electrodos verticales que es más efectiva para reducir el peligro de los altos “voltajes de toque” y “voltajes de paso” en la superficie de la tierra, con la condición de que la red sea instalada a una profundidad de entre 0.3 y 0.5 metros (12 a 18 pulgadas) como máximo, debajo del nivel del piso terminado. Ver secc. 9.4, inciso c, Norma IEEE 80 2000. 

El valor de la resistencia “objetivo” está determinado en primer término por las características del Equipo Electrónico, que es el más vulnerable a los Eventos Eléctricos Transitorios que se pueden presentar en el Sitio, las Especificaciones del Equipo Electrónico están dadas por el Fabricante y en la mayoría de los casos fijan este valor en 2 Ohms. o menos En algunos casos el Usuario determina el valor de la resistencia “objetivo”, y también ese valor está especificado por las Normas Nacionales, e Internacionales aplicables al uso de Equipo e Instalaciones Eléctricas.  

Un Sistema de puesta a tierra Eficaz, se puede garantizar únicamente con el soporte Científico y Técnico de un Diseño de Ingeniería en el que se tiene toda la información y métodos de cálculo técnicos, y el apoyo de las “Guías” y “Recomendaciones Prácticas” probadas, de las Normas.

Un adecuado diseño y la buena operación de un Sistema de puesta a tierra son fundamentales para alcanzar la seguridad y la buena operación de cualquier Instalación Comercial o Industrial. Se requiere de un adecuado Sistema de puesta a tierra por cualquiera de las razones críticas siguientes:

• Seguridad del Personal.
• Operación adecuada del equipo de protección contra descargas eléctricas atmosféricas y eventos eléctricos transitorios derivados de las mismas.
• Un camino de baja impedancia en los circuitos de falla, para eliminar las fallas a tierra, rápida y eficientemente..
• Operación adecuada de los sistemas de comunicación, el equipo de cómputo y los equipos electrónicos más vulnerables.
• Logrando una buena conexión eléctrica con la tierra, la cual requiere de estabilizar un potencial en el circuito.
• Ofrecer una referencia común a tierra para toda la instalación.

UN ANALISIS PREVIO AL DISEÑO DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA EFICAZ.

Antes de diseñar un Sistema de Puesta a Tierra, es de suma importancia hacernos las preguntas siguientes:

1. ¿Porqué debemos conectar eléctricamente por medio de un sistema de “puesta a tierra” los equipos eléctricos y electrónicos, las estructuras metálicas, los gabinetes metálicos de los tableros de interruptores o de instrumentos, las carcazas de los motores eléctricos, los tanques metálicos de los interruptores y de los transformadores, etc., etc.?.

En primer lugar: Porqué la “tierra física”, tiene una carga eléctrica, en condiciones normales, de polaridad negativa (-), concentrada  en los primeros 5 pies (1.5 metros) de la capa o estrato superficial. En forma similar a la de los átomos de los elementos que constituyen a la tierra, empezando por el Hidrógeno y terminando con el Uranio, que tienen los protones (+) en el centro y los electrones (-) en orbitas cercanas a la superficie; la Tierra siendo una gran molécula tiene la carga eléctrica (+) concentrada en el centro, disminuye hasta cero al llegar a la mitad entre la superficie y el centro, en donde se encuentran los “neutrones”, después empiezan a aparecer los electrones cuyo número aumenta hasta concentrarse el mayor número en la capa o estrato de 1.5 metros de espesor de la superficie de la tierra. Lo cual se comprueba en una gráfica en un sistema de ordenadas y abscisas al medir la resistencia eléctrica de un electrodo de 3.0 metros de longitud en donde las ordenadas registran el valor en Ohms, y las abscisas registran la longitud del electrodo. En esta gráfica se observa como baja el valor de la resistencia a tierra rápidamente en los primeros centímetros de profundidad del electrodo y disminuye lentamente a medida que aumenta la profundidad del electrodo hasta hacerse asintótica al eje de las abscisas. 

En segundo lugar: Porque en un principio se entendía que un sistema de puesta a tierra era para prevenir las condiciones de riesgo originadas por fallas de corto circuito drenando a tierra las altas corrientes de falla de polaridad positiva (+), para su neutralización, y las cargas eléctricas estáticas que son valores de Resistencia eléctrica en corriente directa. En los diseños actuales se considera mucho más que eso, ya que un sistema de puesta a tierra de muy baja impedancia que es igual a la “Raíz cuadrada” de la suma de la  resistencia al cuadrado más la reactancia al cuadrado: Z = √R²  + X²  en donde X² = (X_L + X_C)², y X_L = 2πf_L, y X_C = 1 / (2πf_C)], es la suma vectorial de la Resistencia más la Reactancia en donde interviene la frecuencia. Tanto en las corrientes de falla de “corto circuito”, como en las sobre corrientes originadas por fenómenos naturales como son las descargas eléctricas atmosféricas (rayos), esas frecuencias son del orden de entre 10 KHz y 250 MHz, lo que origina el efecto Skin o Piel en el flujo de esas corrientes a través de los conductores de puesta a tierra. Aún cuando este fenómeno es un evento eléctrico transitorio cuya duración es de milisegundos (µs), sus efectos generan un alto riesgo, el cual usualmente no se considera pero que impacta grandemente en la selección del calibre del conductor de puesta a tierra, tanto funcional como económicamente.

Y en tercer lugar: Porque cualquier sistema de puesta a tierra tiene como función principal, drenar a tierra “corrientes de falla”, que independientemente de su origen, un “corto circuito” o un “rayo”, están afectadas por altas frecuencias, e invariablemente está expuesto a los efectos secundarios de las descargas eléctricas atmosféricas (rayos), por lo que deberán diseñarse considerando todos los parámetros y características geológicas y meteorológicas del sitio donde se va a instalar el sistema de “puesta a tierra”, a fin de tener los resultados previstos.

2. ¿Qué es un sistema de “Puesta a Tierra?.

Un sistema de “puesta a tierra” es una conexión eléctrica con la tierra física por medio de un “electrodo para tierra”. En todo sistema de “puesta a tierra”, el factor principal es el valor de “Resistencia/Impedancia” de conexión a tierra. Todos los sistemas de “puesta a tierra” pueden reducirse a dos componentes: el “electrodo para tierra” y el “conductor de puesta a tierra”.

El Electrodo para tierra.

Un electrodo para tierra es básicamente un excelente conductor eléctrico enterrado en la tierra, por lo tanto, generalmente es un elemento metálico de muy baja resistencia/impedancia, de alta resistencia a la corrosión, largo tiempo de vida o duración, y con una superficie finita determinada por la longitud. Esta superficie va a estar en contacto en forma continua con una superficie equivalente del suelo en donde se encuentre instalado.

Existe un sinnúmero de Tipos y Configuraciones de electrodos para tierra. Sin embargo, solamente hay DOS reconocidos, probados, y Normalizados por Instituciones serias, con muchos años de experiencia y reconocimiento (IEEE, ANSI/UL 467, NFPA, FIPS, IEC, etc.). Estos son: La Varilla para tierra con alma de acero y un recubrimiento de 0.010” de cobre en diámetros de 1/2” a 5/8”, longitud de 3.0 metros, conocida como Varilla Copperweld, y la Barra Química de tubo de cobre con un diámetro de 2” o 2 ½”  y rellena con un material de alta conductividad en longitudes de 1.20 a 3.0 metros. Es muy importante recordar que la máxima concentración de carga eléctrica de la tierra está en el primer estrato de la superficie de la tierra con 1.5 metros de profundidad y que cualquier sistema de puesta a tierra es una CONEXIÓN ELECTRICA SÓLIDA CON LA TIERRA FISICA.

En la selección del Tipo de electrodo es fundamental: El tiempo de vida del electrodo, ya que al estar enterrado en un electrolito que es la tierra, en donde existe además en forma permanente una diferencia de potencial entre el electrodo y cualquier otro punto en su alrededor; el electrodo estará sujeto a un PROCESO ELECTROQUÍMICO del que dependerá su vida útil, y al diseñar el sistema de puesta a tierra desde el punto de vista Técnico – Económico esta selección es determinante. Así mismo debe hacerse hincapié en que la corriente de falla que fluirá a tierra y que disipará el electrodo está afectada de grandes frecuencias lo que generará el Efecto Piel (Efecto Skin) con lo que a mayor superficie de contacto con la tierra, mayor efectividad del electrodo y del sistema de “puesta a tierra”.

El Conductor de Puesta a Tierra.

El conductor de puesta a tierra puede clasificarse en: Primario, y Secundario. El Primario que interconectará a los equipos o estructuras que se conectarán a tierra y los electrodos para tierra;  es usualmente un conductor de cobre que puede ser alambre sólido no mayor al calibre 6 AWG, para que sea manejable, cable de cobre trenzado con calibre no mayor a 2/0 AWG, o tubo flexible de cobre de 13 mm (1/2”) de diámetro, de acuerdo con la mayor parte de las normas. Es necesario recordar que siempre tendremos presente el Efecto Skin y que la corriente que se va a drenar a tierra, no fluirá por toda el área transversal útil del conductor. Esto es también un factor importante en la selección del conductor de puesta a tierra, desde el punto de vista técnico y económico.

3. ¿Qué Factores afectan la Resistencia/Impedancia de un sistema de “Puesta a Tierra”?.

Un solo electrodo para tierra puede no ser suficiente para alcanzar un bajo valor de Resistencia/Impedancia en un sistema de “Puesta a Tierra”. Existen muchos factores naturales y otros creados por el hombre que pueden afectar los resultados de un proyecto cuando este no se planea adecuadamente. Por ello debe hacerse un análisis exhaustivo de todos los factores que pueden influir. A continuación los más importantes:

Resistividad del Suelo.

La resistividad del suelo, se considera como la resistencia del suelo al paso de la corriente eléctrica. Este es el Factor más importante en el cálculo del número de electrodos para tierra para alcanzar el valor de la Resistencia/Impedancia objetivo. La Unidad de Resistividad se da en Ohms-metro, y se define previamente.

La resistividad del  suelo varía considerablemente de un lugar a otro, por ejemplo en las regiones costeras puede variar pocos Ohms-metro, o miles de Ohms-metro en las zonas montañosas, especialmente donde hay roca sólida. Hay mapas en cada país en donde aparecen en forma general los valores de resistividad del suelo. Sin embargo, siendo este uno de los factores más importantes en el diseño de un sistema de puesta a tierra, lo recomendable es hacer la medición de la resistividad del suelo en el sitio donde se va a instalar el sistema de puesta a tierra.

Humedad del Suelo.

La mayoría de los suelos con muy poco o cero contenido de humedad, resultan un aislante eléctrico perfecto. Afortunadamente esta condición se presenta muy raramente, excepto en algunas áreas desérticas, y en períodos de extrema sequía. Durante el año, con el cambio de estaciones, se presentan variaciones en la humedad del suelo dependiendo de las precipitaciones pluviales y del grado de humedad en la atmósfera. 

Las características de “granularidad” del suelo son determinantes para conservar la humedad del suelo. Por ejemplo: Un suelo arcilloso o arenoso suele ser muy permeable y por lo general no retiene la humedad, un suelo rocoso puede retener alguna cantidad de humedad además de que puede contener minerales o sales que contribuyan con una resistividad no muy alta.  Los materiales de origen orgánico, degradados, son excelentes para retener la humedad además de que por lo general tienen una baja resistividad. El tratamiento o acondicionamiento del suelo con mezclas de materiales altamente conductivos, alrededor del electrodo son la solución al problema del suelo con alta resistividad, además de que por su granularidad tienen características osmóticas que absorben y retienen la humedad.

La humedad en el suelo tiene como función, activar las características de conductividad eléctrica de los materiales del suelo convirtiéndolo en un electrolito. Esta es la razón principal por la que siempre se busca el factor humedad para tener un sistema de puesta a tierra efectivo. Sin embargo, es un grave error seleccionar electrodos de gran longitud para alcanzar la humedad del suelo, ya que en algunas zonas no la encontrará ni a grandes profundidades. Es muy conveniente recordar que un sistema de puesta a tierra es una conexión eléctrica con la tierra física, no con la humedad de la tierra, y que la mayor concentración de carga eléctrica de la tierra está en la primera capa o estrato de la tierra de 1.5 metros de profundidad, y que la efectividad o eficiencia del electrodo para tierra se dará en esa profundidad (favor de ver Figura No.1, gráfica de mediciones de resistencia a tierra en función de longitud del electrodo). Una solución Técnica-Económica exitosa, empieza con la optimización en el uso de los recursos técnicos y económicos.

Temperatura del Suelo.

La resistividad del suelo se incrementa con el descenso de la temperatura del mismo. Cuando el suelo se congela, su resistividad puede alcanzar valores de hasta 500 Ohms-metro o más. A medida que la temperatura decrece, la resistividad aumentará lentamente. Consecuentemente, los electrodos para un sistema de puesta a tierra tendrán que seleccionarse de mayor longitud, tomando como referencia la línea de congelación del suelo en aquellos casos donde normalmente se presenta este fenómeno.

Normalmente esto sucede en montañas altas y durante los meses previos al invierno. Durante todo el invierno y unos  días de la Primavera hasta que termina el deshielo. 

4. ¿Dónde se va a instalar el sistema de puesta a tierra?.

ESTUDIO DEL SITIO

Conducir un estudio completo del lugar propuesto para un Sistema de puesta a Tierra antes de empezar el Diseño implica determinar las características ambientales, climatológicas y geológicas del sitio. La Información del estudio debe incluir:

• La resistividad de las áreas donde serán instalados los electrodos.
• Características geológicas del área, incluyendo fuentes de agua, niveles de los mantos acuíferos (máximo y mínimo), tipos de suelo, formaciones rocosas, e información sobre congelación del terreno (profundidad máxima de la línea de congelación).
• Información completa sobre el tiempo, incluyendo temperatura, precipitación pluvial, humedad,  descargas eléctricas y probabilidad de daños en el área.
• Fuentes de interferencia inducida, localización de equipo y conmutador telefónico susceptible de esa interferencia.

Lo ideal es que el estudio del sitio se complete antes de la selección del sitio para tener el máximo de parámetros que influyen y las mejores condiciones posibles para proteger a la instalación. El costo de una protección adecuada después de que se ha empezado el trabajo en una localización equivocada puede resultar muy alto.