28. ERRORES COTIDIANOS AL HACER UN SISTEMA DE TIERRA FISICA.
Uso de Electrodos de Alta Impedancia para drenar a la Tierra Física corrientes de Altas Frecuencias.
El medio más efectivo de efectuar el drenado a la Tierra Física de una corriente de Corto Circuito, sea causada por una Falla Eléctrica o por un Fenómeno Natural (RAYO) o Carga Estática, es a través de un Electrodo para Tierra.
La corriente Eléctrica producto de una Carga Estática como la acumulada en una Estructura por: Un campo Electrostático, por la Fricción del Viento, etc. es CORRIENTE DIRECTA y puede Drenarse a la Tierra Física para ser neutralizada sin mayor problema.
No sucede lo mismo con las Corrientes de Falla en un Sistema Eléctrico de Corriente Alterna o producto de una Descarga Eléctrica Atmosférica (RAYO), son además de corrientes de una GRAN CAPACIDAD, Corrientes Alternas en donde las Frecuencias alcanzan valores de 10 Kilo Hertz a 250 Mega Hertz. En estas Frecuencias la corriente circula por o cerca de la SUPERFICIE del Conductor. A este fenómeno se le conoce como EFECTO SKIN o de Piel, y además de la Componente de Resistencia pura, se presenta la Componente de REACTANCIA (INDUCTIVA Y CAPACITIVA).
Instalar en Sistemas de Puesta a Tierra, Conductores de Cobre Sólido o Cables de Cobre de Calibres mayores a 4/0 AWG para Circuitos o mallas principales.
De acuerdo con la consideración del inciso (1), EFECTO SKIN y en conocimiento de que las corrientes que se están drenando a la Tierra Física para su neutralización circulan por la superficie de los conductores y no por el centro de los mismos, lo recomendable es usar para los conductores principales del Sistema de Tierra, un Conductor Hueco o Tubing flexible de cobre de ½” de diámetro.
Lo anterior, traerá como consecuencia un considerable Ahorro en Cobre y una Solución Técnica efectiva. Ver norma NFPA-780, Sección 3-17 y NFPA-70 “National Electrical Code” para mayores detalles.
No respetar el área de Influencia del Electrodo con el Hemisferio de Interfase o de contacto.
Cuando se conecta eléctricamente un Electrodo (que es un buen conductor) con la Tierra física (que es un semiconductor) y se mide la Resistencia eléctrica a lo largo de cualquier radial a partir del Electrodo. Alejándose del mismo en segmentos de un espesor (X).
El cambio de la diferencial de resistencia (dR) disminuirá exponencialmente con cada incremento igual a (X) dx; o sea que dR/dx, es una exponencial descendente (Ver figura), de tal manera, a medida que tenemos más segmentos (X) alrededor del electrodo, el diámetro del Hemisferio aumenta y no ocurre lo mismo con los valores del dR (diferencial de resistencia) que cada vez es menor hasta que en un momento dado se hace imperceptible. En cierto punto, se considera que se ha llegado al 95% de la conexión o área de influencia del electrodo con la tierra física y el otro 5% será el resto de la tierra. Se estima que la distancia entre ese punto y el electrodo es de 1.1 l en donde l es la longitud del electrodo.
El volumen de tierra dentro de ese Hemisferio llamado de Interfase o de Contacto con la Tierra física es sobre el cual tiene influencia eléctrica el Electrodo y por tanto el que determinará el valor de la Resistencia de puesta a tierra. De ésto se puede ver que la Resistencia de Interfase a Tierra está formada por dos Componentes:
R1 Resistencia del Suelo dentro del Hemisferio de Interfase o contacto eléctrico con el Electrodo y
R2 Resistencia del suelo en el Resto de la Tierra Física o sea:
R0 = 0.95 R1 + 0.05 R2
La ecuación del valor real de Resistencia de un Electrodo de Tierra es de:
ρ 48 L
R0 = ______ [ ln ( ____ - 1 ) ]
1.92 L d
en donde:
ρ = Resistividad del Suelo en Ohms-metro
L = Longitud del electrodo en pies
d = Diámetro del electrodo en pulgadas
Del análisis anterior se puede concluir que la Distancia mínima entre dos Electrodos instalados debe ser de 2.2 L para evitar interferencias eléctricas entre un Electrodo y otro. Con frecuencia esa distancia no se respeta con la consecuente Ineficiencia de los Electrodos.
Usar Tubos de Asbesto Cemento, Vitricota o Pozos de Concreto alrededor del Electrodo.
Una práctica muy generalizada que incluso aparece como NORMA en las especificaciones de Construcción es la de confinar los Electrodos para Tierra en un Pozo de Registro que generalmente es un Tubo de 10” a 12” de diámetro sea de Asbesto Cemento o de Vitricota (cerámica) o también dentro de un Registro de Concreto. Los tres materiales descritos tienen un altísimo Valor de Resistividad, es más, podrían considerarse como aislantes Eléctricos. Al hacer lo anterior, nos estamos aislando de la Tierra Física en vez de conectarnos Eléctricamente. Lo indicado es eliminar ese tipo de registros para lograr una conexión eléctrica directa con la Tierra Física.
Usar sales en capas con otros materiales incluso rebaba metálica y hasta chatarra.
Para atenuar lo que se conoce como “Paso de Resistencia” en la conexión de un Electrodo de Tierra y para bajar la resistividad del suelo, se acostumbra llenar el pozo de registro mencionado en el inciso anterior con diferentes materiales buenos conductores Eléctricos que generalmente son sales (Cloruro de sodio, Sulfato de Cobre, etc.), carbón mineral o vegetal y hasta rebaba metálica o chatarra en capas de 10 a 20 cms. Se dice que para activar estas mezclas hay que agregar agua. Desafortunadamente, las sales tienen un alto grado de solubilidad y en poco tiempo van a desaparecer al agregarles agua con frecuencia. Los materiales metálicos con las sales entrarán en un proceso de corrosión que igualmente en poco tiempo desaparecerán y el pozo quedará vacío con el Electrodo completamente separado de la Tierra en casi toda su longitud. El resultado es contrario al objetivo de un Sistema de Puesta a Tierra.
No acondicionamiento adecuado de la Tierra.
La solución para evitar errores como el mencionado en el inciso anterior, es usar un relleno acondicionador de la Tierra preparado a base de sales minerales naturales que se pueden conseguir en el Mercado en mezclas adecuadas para una baja resistividad, no tóxicas, no contaminantes y no solubles. Por Ejemplo: GAF, GEM o Powerfill.
Longitudes de Electrodos antieconómicas.
La conexión eléctrica con la Tierra Física, se hace debido a que ésta, como una gran Macromolécula concentra cerca de la “SUPERFICIE” una carga Eléctrica de polaridad negativa, la que va disminuyendo al ir profundizando en el suelo. Los factores más importantes para lograr una buena conexión eléctrica a la Tierra física son la Humedad, la Temperatura y la Estratificación del Terreno, una adecuada combinación de estos factores darán como resultado una Baja Resistividad del suelo. Sin embargo, el máximo valor de Carga Eléctrica permanecerá concentrado en el primer estrato de 5’ (1.50 m) de la superficie terrestre. Es aquí donde se logrará la conexión Eléctrica óptima con la tierra física. Podrá mejorarse mediante un buen acondicionador alrededor del Electrodo.
Por lo anterior, longitudes de Electrodos pretendiendo alcanzar los niveles de Humedad, sólo encarecerán un Sistema de Tierra.
Varios Sistemas de Tierra independientes en Áreas Reducidas.
Las normas NFPA-780 Sección 3.17, UL-96A Sección 8.10 y FIPS PUB Sección 3. Establecen como una PRIORIDAD, la conexión de cualquier equipo Eléctrico, Electrónico, etc., a un PUNTO COMUN de Puesta aTierra. Es muy importante dejar claro que un PUNTO COMÚN de un Sistema es un Electrodo de Tierra no una conexión a un Conductor de una RED de Tierras.
El no seguir esta práctica o ajustarse a estas normas trae como consecuencia, múltiples riesgos y fallas, las que se explican con toda claridad en las secciones de las Normas mencionadas.
Falta de Mantenimiento.
Uno de los sistemas o instalaciones a los que casi no se les da Mantenimiento, es el Sistema de Puesta a Tierra. Es más, desde que se instala, está condenado a desaparecer bajo gruesas Placas de Concreto o bien, en registros que pocas veces son identificables.
La tierra tiene una carga Eléctrica y por las características de Estratificación del suelo puede ser bueno, regular o mal Conductor Eléctrico. A este factor se le llama RESISTIVIDAD, el cual puede ser mejorado mediante un acondicionamiento. Ver Capítulo 14.5, inciso c), de la Norma IEEE-80-2000.
Entre un punto y otro de la Superficie de la Tierra, existen diferencias de Potencial y por lo mismo, siempre existirán corrientes de Tierra en el subsuelo. Todo esto nos indica que habrá un PROCESO ELECTROQUÍMICO en el que están inmersos los Electrodos de Tierra, los conductores de la RED y otros Elementos metálicos en el Subsuelo que irán degradando en el tiempo el Sistema de Puesta a Tierra.
Es fundamental saber del tiempo de vida de los Electrodos para Tierra para seleccionar a estos en función del tiempo de vida esperado de la instalación a la que darán servicio, ver Capítulo 11.1 de la Norma IEEE-80-2000 y también dar un Mantenimiento que de acuerdo con la Norma NFPA-780-F93TCD apéndice G-1.2.2 va del Preventivo al Correctivo, marcado por Inspecciones Visuales, pruebas y reparaciones periódicas.
Cálculos de Sistemas de Tierras sin considerar los Parámetros más relevantes.
En muy contadas ocasiones, se toma como Base la Resistividad del Terreno y las Características de Estratificación, Humedad, Temperatura y las Posibles Interferencias Electromagnéticas que afectan al Terreno en donde se va a Instalar un Sistema de Tierra Física. Aunado a todas estas deficiencias en el Diseño se acumulan errores de construcción lo que da como resultado, un Sistema de Puesta a Tierra no tan solo deficiente sino riesgoso. En el Capítulo No. de la SEGUNDA PARTE de este documento se analiza detalladamente el diseño y cálculo de un sistema de puesta a tierra Eficaz.
Voltaje de Paso y Voltaje de Toque.
Con mucha frecuencia se instalan los conductores de cobre que interconectan los electrodos de un sistema de puesta a tierra a profundidades de hasta 80 centímetros, con lo cual se encarece en gran medida el costo del sistema, primero por la excavación y movimiento de tierra, y después por el relleno y compactación. De acuerdo con las Normas IEEE-80-2000, Capítulo 9.2, inciso b) 1). “una red de conductores es más efectiva para reducir el peligro de los altos voltajes de toque y de paso en la superficie de la tierra, con la condición de que la red sea instalada no muy profunda (normalmente entre 0.3 y 0.5 metros debajo del nivel de piso terminado).
Cuando se instalan los sistemas de puesta tierra, se requiere tener un cierto criterio de lo que es la resistencia eléctrica con respecto a la tierra, el cual puede ir de 10, 5, a 1 Ohm. Desafortunadamente, en la mayoría de los sistemas de puesta a tierra no se hacen las pruebas de continuidad al terminar la instalación, no se hacen las mediciones correctas para verificar los valores de resistencia calculados después de hacer la instalación, y posteriormente no se elabora un programa de mantenimiento periódico adecuado, y de acuerdo con Normas vigentes. Desde que se diseña la ruta donde se va a enterrar el sistema, no se prevén las dificultades de inspección que presentará, no se hace la selección adecuada de los elementos que lo conforman (conductores, y electrodos), en función del tiempo de vida esperado, no se acondiciona el terreno, etc.., La gran mayoría de los Sistemas de puesta a tierra en Instalaciones Industriales, en muchas partes del mundo, tienen decenas de años de no tener mantenimiento, no se ha detectado si existe continuidad en ellos, no se ha inspeccionado las condiciones de corrosión de los electrodos especialmente si estos son del tipo Varilla Copperweld, ya que estos electrodos son de alma de acero y solamente tienen una cubierta de cobre de 0.010” de espesor y considerando que están enterradas, están sujetas a un proceso electroquímico que acorta su periodo de vida a menos de un año. Estos problemas a menudo continúan por muchos años, contribuyendo a los problemas eléctricos, constantes fallas en los equipos eléctricos y electrónicos y la inseguridad del personal. Las consecuencias, graves pérdidas económicas.