Análisis previo al diseño y cálculo de un sistema de puesta a tierra eficaz

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

Un Sistema de Puesta a Tierra EFICAZ, GARANTIZA el aprovechamiento OPTIMO de los recursos TECNICOS Y ECONOMICOS disponibles.

Por estas razones, antes de diseñar un Sistema de Puesta a Tierra, es de suma importancia hacernos las preguntas siguientes:

1. ¿Por qué 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 carcasas 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 macromolécula tiene la carga eléctrica (+) concentrada en el centro, disminuye hasta cero al llegar a la mitad entre la superficie y su centro, en donde se encuentran los “neutrones”, después empiezan a aparecer los electrones, carga eléctrica (-), 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, vertical 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. Ver Figura No. 1.

Lo anterior significa que el aprovechamiento óptimo de un electrodo vertical enterrado en un suelo homogéneo, se encuentra en un nivel de profundidad del primer estrato o capa de la tierra física de 5 pies (1.5 metros), en donde se concentra la mayor carga eléctrica negativa de la Tierra física (en condiciones normales), rebasando esta profundidad, la resistencia en ohms empezará a disminuir gradualmente muy poco hasta una profundidad en donde la curva se hace asintótica y  la eficiencia del electrodo desaparece.

Esta observación es determinante para seleccionar la longitud del electrodo el cual alcanzará su máxima Eficiencia hasta los 4 pies (1.20 metros) de longitud, de acuerdo con las mediciones hechas en los SEIS electrodos cuyas gráficas aparecen en la Figura 1.

Figura 1

La longitud de 3.0 metros (10 pies) muy probablemente se determinó en base a los resultados obtenidos de la medición de la resistencia y en función de la curva asintótica del electrodo vertical enterrado, ya que como puede observarse en las gráficas resultantes con mediciones en donde el diámetro del electrodo no tiene mayor influencia.

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 la naturaleza se encuentran los campos electrostáticos creados por las diferencias de potencial formando sistemas eléctricos de Corriente Directa en donde V = I R (R = Resistencia), y los campos electromagnéticos en donde se forman los sistemas eléctricos de Corriente Alterna en donde el equivalente de la resistencia es la Reactancia (X = Reactancia). . En los diseños actuales se considera mucho más que eso, ya que un sistema de puesta a tierra de muy baja impedancia [Z = √R²  + X²  en donde X² = (X_L + X_C)² y X_L = 2πf_L (Reactancia Inductiva), y X_C = 1 / (2πf_C) (Reactancia Capacitiva)], 

La Impedancia = Z es la suma vectorial de la Resistencia más la Reactancia en donde interviene la frecuencia (Factor de la Corriente Alterna). 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. Recordar que esas “corrientes de falla” no circulan por toda el área transversal del conductor.  Aun 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 técnica 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.

1. ¿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 que debe ser muy bajo. 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 física, 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”, y 2 1/2^"  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 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 física, 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 cuando opera un sistema de “puesta a tierra” 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.