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.

La forma más efectiva de protección contra rayos: sistema de transferencia de carga

23. LA FORMA MAS EFECTIVA DE PROTECCION CONTRA RAYOS: SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CARGA

ESPECIFICACIONES GENERALES.

1. GENERALIDADES

1.1.Definición

El Sistema de Transferencia de Carga (CTS) es una forma de PROTECCIÓN contra rayos que ha sido desarrollada para PREVENIR los impactos de rayo en un sitio, y la auto protección del sistema. El sistema disipa la carga inducida por la célula de tormenta (nube) dentro del área protegida, por medio de la transferencia de esa carga eléctrica, a la atmósfera circundante a través de un proceso de electrostática conocido como el Principio de la “Descarga de Punta”. Las moléculas de aire ionizadas resultantes, forman una masa de moléculas de aire cargadas eléctricamente, llamadas “Carga Espacio” las cuales forman un blindaje entre la célula de tormenta y el sitio. El potencial resultante entre el área protegida y la nube de tormenta se reduce significativamente, previniendo por tanto, los impactos directos de rayo.

1.2. Desempeño del Sistema. 

El CTS deberá ser capaz de disipar continuamente, o transferir a la atmósfera una corriente de al menos la mitad de un ampere  durante una tormenta madura mientras la tormenta esté presente.  Deberá prevenir cualquier descarga de rayo terminando  dentro del área protegida sin que  el sistema se dañe.  El CTS  reducirá  el voltaje entre  el área protegida  y la  nube  de tormenta  a niveles  menores  de  los  que  se requieren  para  iniciar o  atraer  el  rayo. Además, el potencial resultante en el área protegida será significativamente más  bajo  que  el que  exista  alrededor  en  cualquier  punto, durante  la tormenta.

1.3. Componentes del Sistema.

El  sistema  está  formado  por  tres  subsistemas  conformados  por  las       especificaciones siguientes:

1.3.1. Subsistema Ionizador.

La configuración del ionizador deberá diseñarse para asegurar la interfase con la instalación del Cliente de manera que prevenga cualquier impacto directo dentro del área protegida y deberá, sin excepción alguna cumplir con las especificaciones siguientes:

1.3.1.a La configuración del ionizador será hecha de alambre de disipación cuya geometría del espacio estará determinada por pruebas de laboratorio para proveer la máxima corriente de ionización para una fuerza del campo eléctrico dada. Cada punta deberá tener la separación que maximice la corriente de ionización durante la tormenta.

1.3.1.b El ionizador deberá diseñarse para formar, o configurar la forma de las líneas equipotenciales que configurarán toda el área protegida. Bajo ninguna circunstancia se crearán discontinuidades que puedan formar flámulas desde el ionizador o desde dentro de la instalación protegida. Deberá procurarse que todas las  puntas del ionizador estén dentro del área de ionización o aproximadamente al mismo nivel de voltaje.

1.3.1.c El ionizador deberá diseñarse de tal forma que provea el número de puntas de disipación requeridas para cubrir un área específica. En caso de no ser así, la configuración del ionizador proveerá menos puntas de disipación que las requeridas por cálculo para esa área específica. 

1.3.1.d  El ionizador será hecho de alambre de acero inoxidable por medio de una matriz en donde la separación entre puntas sea de 10 cms.

1.3.1.e Cada configuración del Ionizador será montada de tal manera que asegure una “vista” sin obstrucción del campo electrostático de la tormenta desde cualquier dirección. De no ser posible, deberá montarse otro dispositivo en la misma estructura de tal manera que el ionizador no quede fuera del campo electrostático de la tormenta.

1.3.1.f El desempeño de la configuración del ionizador será calificada de acuerdo con el procedimiento de prueba especificado en el Apéndice 1.

1.3.2. Circuito Colector de Corrientes de Tierra (CCCT).

El Circuito Colector de Corrientes de Tierra (CCCT) será diseñado, desarrollando y trazando un circuito para colectar la carga inducida por la nube de tormenta dentro de todos los componentes de la instalación protegida, de acuerdo con el tipo de suelo del sitio. Todos los componentes de la instalación protegida, deberán estar conectados eléctricamente al CCCT. Esto incluye a otros sistemas de puesta a tierra, independientemente de la función original para la que se hayan instalado. Deberá establecerse un punto común de tierra para todos los componentes del sistema. Si el sistema de puesta a tierra existente cumple con el criterio de un punto común de conexión, y tiene un valor de resistencia a tierra de 5 Ohms, puede usarse como CCCT. 

1.3.2.a El CCCT deberá estar formado por electrodos para tierra activados químicamente e interconectados por medio de tubo flexible de cobre no menor a ½” de diámetro o cable de cobre de calibre 2/0 AWG. Los electrodos deberán espaciarse a intervalos no menores a 2.2 veces su longitud. La mezcla de sales metálicas que se usa para rellenar los electrodos activados químicamente deberá seleccionarse adecuadamente de acuerdo con las condiciones del suelo donde se instalarán. Seco, Normal, Muy Húmedo.

1.3.2.b Todas las uniones y conexiones del CCCT deberán hacerse con soldadura exotérmica.

1.3.2.c El CCCT deberá ser enterrado a no menos de 25 cms., y no más de 75 cms., de profundidad. Cualquiera que sean las condiciones requeridas o las variaciones en relación con esta especificación, deberán ser consideradas dentro del diseño de Ingeniería.

1.3.3. Conductor de Interconexión.

El conductor de interconexión (CI), deberá ofrecer una seguridad, extra, un camino de baja impedancia para el CCCT y para el conductor de interconexión al ionizador. El CI puede estar compuesto de alambre de cobre de calibre mayor o del acero de las partes de la estructura de la instalación. Deberá tenerse cuidado para asegurar una buena conductividad, baja impedancia, un camino fácil entre el CCCT y la configuración que sea del ionizador, bajo las condiciones más adversas. Deberá considerarse la probabilidad de cortes o daños a la continuidad de los conductores durante los mantenimientos.

1.4. Aseguramiento de Calidad.

El proveedor del CTS deberá estar comprometido con la manufactura del CTS, los sistemas de tierra, y los sistemas de protección de la instalación en los alcances aquí especificados. El proveedor deberá tener partes de repuesto para garantizar el servicio por lo menos para 15 años.

1.5. Garantía y Seguridad de su funcionamiento.

1.5.1. El CTS Garantiza por escrito la prevención de la terminación de impactos de rayo dentro del área protegida. Si el sistema falla en su funcionamiento de acuerdo a como fue especificado, el fabricante determinará las causas, implementará una acción correctiva de acuerdo con el Cliente, sin costo para el Cliente. Esta garantía tendrá vigencia por un año, y podrá ser ampliada anualmente después del mantenimiento y Certificación.

1.5.2. El CTS propuesto, tendrá una duración no menor a 20 años para asegurar su confiabilidad y cumplimiento a sus requisitos.

1.5.3. El Concursante deberá ofrecer una lista de no menos de 20 Clientes usuarios del sistema que den referencias de la efectividad del sistema propuesto.

1.6. Fabricantes Aceptados.

El Fabricante pre-aprobado de los sistemas de protección contra rayos del tipo “descarga de punta” es Lightning Eliminators & Consultants, Inc. (LEC), con domicilio en: 6687 Arapahoe Road, Boulder, Colorado 80303, USA. (303) 447-2828. Cualquier otro candidato deberá probar ofrecer lo mismo y ser aprobado por el Cliente. Los instaladores deberán ser supervisados por un Ingeniero Instalador Calificado, con al menos 5 años de experiencia.

2. CRITERIO DE DISEÑO ESPECÍFICO.

2.1. Carga del Viento.

Todos los componentes del CTS deberán estar diseñados para soportar vientos de 110 millas por hora (177 km/hr).

2.2. Mantenimiento.

El CTS deberá estar diseñado y construido de tal manera que no requiera mantenimientos periódicos en intervalos menores a 5 años. Sin embargo, las inspecciones anuales y la recarga de los electrodos de tierra químicamente activados debe hacerse.

2.3.Corrosión.

Todos los materiales deberán seleccionarse para asegurar la compatibilidad con cada uno de los otros componentes del sistema para prevenir la corrosión por los efectos galvánicos. Los componentes del CTS, instalados a la intemperie, deberán ser como mínimo de acero galvanizado, de acero inoxidable, o de cobre, en este orden para minimizar la corrosión.

3. INSTALACION DEL CTS.

3.1. Ionizador.

Los sistemas de protección contra rayos deberán instalarse de acuerdo con el equipo, los planos y las especificaciones por escrito del fabricante. La instalación del sistema de prevención de rayos deberá coordinarse con otros trabajos, incluyendo el alambrado eléctrico y todos aquellos necesarios durante la instalación del sistema.

3.2. Circuito Colector de Corrientes de Tierra (CCCT).

Aunque el CTS no es tan sensible a las variaciones del sistema de puesta a tierra, deberá establecerse un aceptable contacto con la tierra física para asegurar su funcionamiento óptimo. Para facilitar la colección de carga, y alcanzar un valor de resistencia a tierra de 5 Ohms. Al término de la instalación del sistema de prevención de rayos, deberá medirse el valor de resistencia a tierra, por medio de medidor de tierra confiable. Donde los resultados de la medición indiquen un valor de resistencia a tierra mayor a 5 Ohms, deberán tomarse las acciones necesarias para reducir esos valores a 5 Ohms o menos, instalando adicionalmente más electrodos de tierra, espaciándolos correctamente, o acondicionando el suelo donde se instalan los electrodos. Entonces, repetir las mediciones hasta alcanzar los valores previstos. 

3.3.Conexiones a tierra.

Los requisitos para conexiones a tierra que usan CTS con la tecnología para la prevención de rayos son mucho más simples que los requeridos para los sistemas del colector de rayos convencional. Debido a que no habrá impactos de rayos en el lugar, los requisitos de conexión a tierra se limitan a  establecer un punto de referencia de potencial igual o un punto común de tierra.

La referencia de potencial igual para sitios de comunicaciones normalmente es referida a la ventana de tierra o al punto común de tierra (CPG por sus siglas en ingles). La implementación y aplicación del CPG es la clave de su funcionamiento. El sistema de conexión a tierra se implementa como sigue:

3.3.1. Instalar una barra “buss” CPG en el punto donde la conexión a la red de tierras entra al edificio.

3.3.2. Conectar la barra “bus” CPG a un electrodo de tierra del tipo Chem Rod, instalado fuera del edificio y cerca del “bus” CPG. Se requiere un electrodo de tierra activado químicamente para reducir el potencial de tierra o la impedancia transitoria.

3.3.3. Hacer que los conductores de tierra vayan por separado de cada bastidor de equipo a la barra “buss” CPG. Usar un conductor de cobre de calibre grande, tal como # 2 AWG o mayor, para reducir la impedancia transitoria. No usar tierras en anillo o el concepto cadena margarita. Mantener cada conexión a tierra por separado y lo más corto posible.

3.3.4. Hacer una conexión a tierra por separado desde la protección de surge del servicio eléctrico al CPG, con un conductor de cobre de un calibre igual o mayor al # 2 AWG.

3.3.5. Hacer una conexión a tierra por separado de los protectores de la línea telefónica al CPG, con un conductor calibre igual o mayor al # 2 AWG.

3.3.6. Estar seguros que todas las otras referencias de tierra también estén conectadas al CPG.

3.3.7. Conectar el blindaje de todos los cables coaxiales externos al CPG lo más cerca posible del CPG.

3.3.8. Usar conectores de presión para las conexiones internas.

3.3.9. Usar conexiones con soldadura exotérmica para todas las conexiones externas.

3.3.10. El CCCT del CTS también deberá estar conectado al CPG. 

4. CAPACITACION DEL PERSONAL.

El personal de mantenimiento del Cliente (Usuario) deberá ser capacitado en procedimientos de prueba y medición de sistemas de puesta a tierra y para determinar los valores de resistencia a tierra del sistema de prevención de rayos. Además el personal de mantenimiento deberá ser instruido para recargar los electrodos de tierra activados químicamente.

5. MANTENIMIENTO Y RECERTIFICACION.

A fin de asegurar que el sistema este en operación a su máxima capacidad, deberá ser inspeccionado periódicamente. El fabricante ofrecerá, a solicitud del Cliente, una cotización para una inspección anual del CTS. La inspección incluirá la recertificación del CTS al término de la inspección. Si el sistema no puede ser recertificado después de la inspección por no cumplir con los requisitos necesarios, se entregará un reporte al Cliente describiendo las medidas correctivas para que el sistema opere en condiciones óptimas de seguridad.

APENDICE 1.

EVALUACION DEL DESEMPEÑO DE UN IONIZADOR

El ionizador es el componente principal de un Sistema de Transferencia de Carga (CTS). El ionizador es un componente de un CTS, diseñado para prevenir la terminación de un impacto de rayo para cualquier área protegida. Para prevenir la terminación del rayo se requiere un método de colección de la carga inducida en esa área y transferir esa carga al ionizador, tan rápido como el mecanismo de cargado crea o induzca la carga. El ionizador debe entonces transferir esa carga a la atmósfera, en la misma forma, usando las moléculas del aire como el medio de transferencia.

La eficiencia del ionizador deberá ser evaluada dentro de un simulador de campo electrostático, por la inyección de corriente de ionización de un tablero de muestra en función del voltaje aplicado. El ionizador debe ser especial para ese diseño usado para el CTS. La corriente de ionización debe ser medida en función del voltaje aplicado al ionizador, cuando el espaciamiento entre el ionizador y la placa ánodo del simulador se ponga a ½ metro.

El procedimiento de prueba consistirá de una serie de mediciones de corriente en función del voltaje aplicado. Los pasos deberán ser en incrementos de cerca de 1 KV, empezando a 10 KV e incrementándolos a cerca de 100 KV. No se forma arco eléctrico entre el ionizador y la placa ánodo del simulador. Un arco eléctrico descalificaría la prueba. La corriente de ionización medida se incluirá en la fórmula siguiente:

               I ≥ 0.002 V²

              V es la fuerza del campo electrostático en Kilovolts.

              I es la corriente de descarga en microamperes por punta.

Otra vez, esto será sin que se produzca ningún arco dentro del ionizador, entre el ionizador y la placa ánodo del simulador.

A voltajes pico, el ionizador también debe producir un efecto corona visible. También deben ser observados los factores siguientes:

A.1 El panel de prueba del ionizador deberá ser una réplica exacta de una porción del ionizador que se usará en el CTS.

A.2 El panel de prueba del ionizador deberá ser del tamaño suficiente como para contener al menos 120 puntas de disipación.

A.3 La prueba de la instalación deberá ser de al menos 2.5 metros cuadrados para crear el campo eléctrico requerido sin efectos marginales.

A.4 El sistema de medición debe calibrarse antes de la prueba, y ofrecerá escalas de 0 a al menos 5 000 Microamperes. 

Imagen de rayos en Nuevo México

Maintenance, maintenance, maintenance

22. MAINTENANCE, MAINTENANCE, MAINTENANCE

Este Blog lo escribió JoOnna Silberman en Abril del 2016, lo transcribo porque Ella tiene mucha razón y pienso que hay que reflexionar acerca de lo que dice a fin de “PREVENIR LO QUE NO DEBE OCURRIR”.

BLOG “PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS”

Semana 122/Abril 28, 2016.

En Abril del 2014, escribí un blog sobre inspección y mantenimiento titulado “Las lluvias de Abril traen Rayos: Protección, Inspección y Mantenimiento” y la gente de los medios en el mercado de combustibles se intrigó, pidiéndome  que fuera más explícita en el “fragmento” de este tema. Considerando que yo creo que este es uno de los asuntos más importantes segundo solamente para implementar una solución en la protección contra rayos para empezar, por supuesto, Yo estoy de acuerdo. En Mayo del 2014, Ellos publicaron “Mantenimiento, Mantenimiento, Mantenimiento”. 

Este mes, las noticias del mercado de combustibles van a republicar ese fragmento y Yo pienso fue una buena decisión para recordar todo sobre la importancia de la instalación, la inspección, y el mantenimiento sobre las soluciones de la Protección contra descargas eléctricas atmosféricas. La cual incluye sistema de puesta a tierra, y protección contra eventos eléctricos transitorios. Una vez que Ud., tiene instalado un sistema de protección contra rayos en sus instalaciones, debe ser inspeccionado y mantenido como cualquier parte de un equipo. Esto es imperativo, básico, fundamental, si se quiere que funcione con buenos resultados.

Justamente estamos regresando de una Conferencia y Exhibición sobre Energía Eléctrica en Nueva Orleans y nos asombró como mucha gente instala un sistema de protección contra rayos y se olvida de esa protección. Además de nuestra habitual sorpresa respecto a sus “sistemas colectores de rayos en lugar de sistemas preventores de rayos” cuando preguntamos si habían tenido fallas, ellos dijeron que sí y cuando les preguntamos porque algunos de Ellos no tenían idea?. Cuando les preguntamos si le habían hecho pruebas a los sistemas de  puesta a tierra, contestaron que no, o que habían hecho las pruebas de medición de norma (FoP), lo cual está sujeto a  una multitud de errores de acuerdo con la Norma IEEE 81. Mientras más costoso, aquí en LEC usamos el sistema de medición “Smart Ground” el cual elimina los errores indicados en la Norma IEEE 81. Además, les preguntamos si Ellos habían inspeccionado sus sistemas, y muchos de los asistentes contestaron que no!!!!. Wou!!!!, parece ser que muchos, y no solamente en esta industria, esperan hasta que se presenta un incidente,  antes de que Ellos inspeccionen su Sistema de PROTECCION.

Mucha gente  piensa que invertir en inspeccionar, dar mantenimiento, o hacer pruebas o mediciones, es una extravagancia o no tiene caso. A los que piensan así, Yo les digo que pregunten a las compañías que pensaron lo mismo y que al final terminaron perdiendo millones de dólares debido a los rayos!!!.

Firma: The Lightning Diva

Maintenance, maintenance,maintenance par deux

A continuación el Blog publicado en Mayo del 2014 y Abril del 2016.

MANTENIMIENTO, MANTENIMIENTO, MANTENIMIENTO.

Cuando la PROTECCION CONTRA RAYOS es la solución más adecuada, la regla número uno es hacerla, el equipo necesita estar en buenas condiciones de trabajo para ser efectivo. Como cualquier otra tecnología o equipo, necesita estar bien instalado, bien inspeccionado y bien mantenido.

Ahora, cuando la relación con la extracción, refinación, y almacenamiento de combustibles líquidos, tan ampliamente practicada en la Industria del Gas y el Petróleo, Ud., realmente NO quiere tomar el riesgo de que sus sistemas no trabajen?. Yo pienso que no. La inspección es importantísima y debería ser parte de la responsabilidad y el buen manejo del riesgo y las mejores prácticas del plan de emergencia para la continuidad de los negocios.

Los meses de verano a través del Hemisferio Norte pueden ser brutales, y más en los años recientes, especialmente en los Estados Unidos. Los veranos pasados (en realidad el final de la primavera, el verano y el principio del otoño) han probado ser un desafío en donde los rayos están involucrados. En el año 2013 más de 100,000 impactos de rayo han caído en Oregón en solo dos días, provocando varios incendios a través de las partes central y suroeste del Estado. Washington también ha sido víctima de estos poderosos impactos, más de 60 incendios de bosques después de la tormenta de rayos a principios de Agosto. Colorado tuvo literalmente una explosión de rayos los últimos 4 años, verano tras verano, y en la última semana de Abril y primera de Mayo, a lo largo de la Costa del Golfo en Texas y Luisiana sufriendo tres explosiones de tanques en un periodo de siete días. Estados como New Hampshire y Maine reportaron los rayos más poderosos recordados en la historia.

Además, el último verano los campos petroleros del Norte de Dakota sufrieron cinco incendios que fueron atribuidos a los rayos. Uno en particular impactó un pozo de inyección de agua salada dañando cuatro tanques de almacenamiento que contenían 380 barriles de agua salada y 20 barriles de aceite con un costo mayor a 100 000.00 US. Dólares en daños.

Posteriormente, no solamente hubo impactos de rayo que iniciaron incendios en la Planta de Energía de Edison al Norte de California, toda la Planta salió de operación y hubo más de 120 000 interrupciones de energía a lo largo de Visalia, California. Incidentes como estos deberían recordarnos lo importante que es verificar y revisar los equipos y sistemas de protección antes de cada temporada de rayos, así como los fenómenos meteorológicos y/o desastres naturales que ocurren durante el año.

Un Sistema de Protección contra rayos dañado implica tanto riesgo como si no se tuviera un Sistema de Protección contra rayos. Por supuesto, una vez que ocurre un evento de este tipo en un lugar, puede volver a ocurrir en el mismo lugar nuevamente. Muchos se olvidan de verificar o revisar el equipo. Tome nota, un buen Plan de Mantenimiento de Emergencia, deberá incluir revisar su equipo de Protección contra rayos. Ud., no puede olvidarse por descuido de hacer una buena revisión aunque sea superficialmente para estar seguro de que el  evento no produzca en forma prolongada, un daño inadvertido. Usted ha revisado sus sistemas de protección contra rayos y otros equipos para este propósito?.

Un buen mantenimiento quiere decir que Usted debe inspeccionar el sistema, lo cual incluye la protección contra impactos directos de rayo, el sistema de puesta a tierra y la protección contra eventos eléctricos transitorios. Que tan bueno es el mantenimiento que Usted le da a su equipo?, Cuales son los pasos que Usted sigue para para asegurarse de que está trabajando adecuadamente?. Su Compañía ignora y espera hasta que algo malo sucede?.

Mientras nosotros tenemos algunos Clientes que después de un evento llamarán y preguntarán si nosotros vamos a inspeccionar sus sistemas y otros que han hecho la inspección por ellos mismos y que han descubierto que ha ocurrido un incidente en su sistema, de hecho, necesita reparación y atención inmediatamente. Desafortunadamente, hay quienes no analizan una solución total y se preocupan cuando un impacto directo de rayo golpea sus instalaciones y todavía desconcertado se pregunta porque?. Una vez en un lugar, descubrimos cual fue la causa, Ellos no revisaron sus instalaciones el daño impactó la solución. Otro problema común es ínterin (tiempo)-entre-falla, el cual es una “bomba de tiempo”

“Todas estas operaciones golpean fuera de línea, porque el equipo electrónico más sensible falla o es destruido”.

Es bien sabido que a una instalación, impactos de rayos repetidos  dentro, y en la vecindad han degradado su equipo porque el sistema de puesta a tierra y la protección contra eventos eléctricos transitorios de los instrumentos fue dañada o nunca se instaló desde un principio en el lugar.

Una  parte del equipo, que cuesta cientos de miles y a veces millones de dólares deja de trabajar  años antes de lo que debería. En otro caso, un usuario final no comprendió que una mala decisión haya afectado el haber usado un electrodo del tipo Chem Rod en un sistema de puesta a tierra, y en otra ocasión un árbol haya caído sobre un sistema de arreglo de disipación (DAS). Estas cosas ocurren todo el tiempo y más allá de buscar la causa del daño, es mejor checar y hacer una revisión buscando una práctica de mantenimiento regular.

Las medidas de prevención, son las mejores y más efectivas. Para evitar problemas como este, en la eliminación de los rayos, los usuarios del sistema de arreglo de disipación (DAS), están buscando “Certificar la instalación” de sus sistemas de PROTECCION, y “Recertificarlos” cada año a fin de validar su eficiencia y tener la GARANTIA de FUNCIONALIDAD de sus Sistemas. Si la CERTIFICACION y RECERTIFICACION ANUAL no es hecha por LEC Inc., no hay GARANTÍA ya que no existe certeza de que la Instalación del Sistema de PROTECCION DAS se haya hecho de acuerdo a las especificaciones de Ingeniería de LEC Inc., y se hayan usado los materiales, dispositivos y equipos originales de la Marca LEC.

Uno de los nuevos y más peligrosos problemas que ocurren con más frecuencia y  aumentan cada día en la Industria del Petróleo y Gas son debidos a las descargas eléctricas atmosféricas (Rayos). Los altos campos electrostáticos producidos por un rayo, y una tormenta de rayos, crea un gran riesgo y vulnerabilidad a través de  sus efectos primarios y secundarios ocasionando arcos eléctricos internos y externos en los tanques de almacenamiento, los que invariablemente  terminan en explosiones!!!. Odio repetirme esto: INSPECCION, INSPECCION, INSPECCION – MANTENIMIENTO, MANTENIMIENTO, MANTENIMIENTO.

Aunque al final de cualquier reflexión relacionada con la SEGURIDAD en la Industria Petrolera y el Gas siempre vamos a concluir que es absolutamente necesaria la PROTECCION contra las descargas eléctricas atmosféricas (rayos), en las fuentes de producción, plataformas, pozos, baterías, áreas y tanques de almacenamiento, líneas de transportación, refinerías, casas de compresoras, casas de bombas, equipo e instrumentos electrónicos más sensibles; todos deben ser protegidos, y esas protecciones necesitan ser  inspeccionadas continuamente mediante programas de mantenimiento a fin de que trabajen con eficiencia.

Firma: Lightning Diva.