7. La Optimización de los Recursos Económicos y la Efectividad de un Sistema de “Puesta a Tierra”, solamente se logra mediante la aplicación de Tecnología 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.
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| Electrodo Chem Rod |
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 relleno con una sal metálica, acondicionando el suelo alrededor del electrodo como la mejor solución para obtener una baja impedancia a tierra, y 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.
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 o menos Ohms. 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.
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| Resistividad del suelo - 100 ohms -metro Figura Nº 1 |
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 Z = √R2 + X2 en donde X2 = (XL + XC)2, y XL = 2πfL, y XC = 1 / (2πfC)], 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 más 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 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 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.