DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL CENTRO MÉDICO DOCENTE LA TRINIDAD

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL CENTRO MÉDICO DOCENTE LA TRINIDAD POR: DIEGO ARMANDO PÉREZ DÍAZ TUTOR ACADÉMICO: PROF. ALEXANDER BUENO TUTOR INDUSTRIAL: ING. JOSÉ ARTURO ARENAS INFORME FINAL DE PASANTÍA PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA Sartenejas, Febrero 2007.

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL CENTRO MÉDICO DOCENTE LA TRINIDAD POR: DIEGO ARMANDO PÉREZ DÍAZ INFORME FINAL DE PASANTÍA PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA Sartenejas, Febrero 2007.

3 DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL CENTRO MEDICO DOCENTE LA TRINIDAD POR: DIEGO ARMANDO PÉREZ DÍAZ RESUMEN El objetivo principal de este informe final es presentar los requerimientos básicos y criterios de diseño del sistema de puesta a tierra del Centro Médico Docente La Trinidad. Estos criterios se fundamentaron principalmente en prácticas recomendadas del IEEE, normas del Código Eléctrico Nacional y del IEC. El diseño abarca diversas áreas de la instalación, tales como quirófanos, transformadores, sistema de respaldo de energía, conjunto de oficinas, centro de datos y el sistema de protección contra descargas atmosféricas. También se hacen recomendaciones acerca de las previsiones que se deben tomar, en materia de puesta a tierra, en los diversos cuartos destinados al cuidado de pacientes. El diseño se basa principalmente en el reconocimiento de los requerimientos de cada área y aplicar los criterios definidos mediante los documentos anteriormente nombrados. Además este proyecto involucra el diseño de lo que podría ser considerado la parte más elemental e importante, como lo es el electrodo, aquí se presentan todas las ecuaciones empleadas y criterios que llevaron a la selección de la configuración y ubicación del mismo. Se realizó la ingeniería de detalle representada por planos, esquemas, especificaciones, etc., efectuando selección de conductores, tipos de conexiones y equipos a emplear para lograr un diseño completo del sistema de puesta a tierra. iv

4 AGRADECIMIENTOS v

5 DEDICATORIA A mis padres y hermanos, que su cariño incondicional me da las fuerzas necesarias para afrontar y culminar todas mis metas. vi

6 ÍNDICE GENERAL 1. INTRODUCCIÓN 1 2. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA 3 3. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO Objeto del Proyecto Alcance del Proyecto Normas y criterios Descripción del Proyecto SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Definición de Sistema de Puesta a Tierra Simbología Terminal de Tierra (Earth terminal, ground terminal) Terminal del conductor de protección (Protective conductor terminal) Terminal de chasis o carcaza Equipotencialidad Propósito y tipos de sistema de puesta a tierra Puesta a tierra de los sistemas eléctricos Puesta a tierra de los equipos eléctricos Puesta a tierra de señales electrónicas vii

7 Puesta a tierra de protección electrónica Puesta a tierra de protección atmosférica Puesta a tierra de protección electrostática Componentes Básicos de una Puesta a Tierra Electrodo Barras equipotenciales: Línea principal de tierra Línea de enlace Pararrayos Descargadores de sobretensión Requisitos de un Sistema de Puesta a Tierra Etapas del diseño de un Sistema de Puesta a Tierra Determinación de los parámetros Diseño Análisis del comportamiento Topología Materiales Factores diseño de los sistemas de puesta a tierra SEGURIDAD DE PERSONAS Problema básico Condiciones de riesgo Rango de corriente tolerable Efecto de la frecuencia El efecto de la duración y la magnitud Importancia de eliminar una falla rápidamente Límite de corriente tolerable por el cuerpo viii

8 5.4. Criterio del voltaje tolerable RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA Definición Valor de la resistencia de puesta a tierra Electrodo Electrodos existentes Electrodos intencionales Medición de la resistencia de puesta a tierra Método de los dos Puntos o dos Polo Método de los tres puntos Método de la caída de tensión RESISTIVIDAD DEL TERRENO Definición Factores que inciden en la resistividad Sales solubles Composición del terreno Estratificación del terreno Granulometría Estado higrométrico Temperatura Compactación Medición de la resistividad del suelo Método de Wenner Método de Schlumberger Perfil de resistividad ix

9 Condiciones para las medidas de resistividad del suelo SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Descargas atmosféricas Origen de las descargas atmosféricas.[6] Sistemas de pararrayos Tipos de Pararrayos Punta Franklin Pararrayos Ionizante Jaula de Faraday Determinación del nivel de protección de un sistema de protección contra descargas atmosféricas Diseño del sistema de protección contra descargas atmosféricas Sistema de terminación de aire Sistema de conductores bajantes Sistema de terminación de tierra DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL CMDLT Resistencia objetivo Localización Resistividad del terreno Resistencia de PAT Cálculo de la resistencia de puesta a tierra Detalles Transformadores Celdas Generadores Quirófanos x

10 9.10. Sistema de protección contra descargas atmosféricas Nivel de Protección Sistema de terminación de aire Sistema de conductores bajantes Sistema de terminación de tierra Data Center y oficinas nivel ingreso Data Center Computadoras UPS Derivación del sistema de puesta a tierra Canalización Selección del conductor de tierra Áreas de cuidado de pacientes Puesta a tierra de las bases de los Tomacorrientes y Equipos Eléctricos Fijos Tableros Eficiencia del SPAT Areas de cuidado general Tomacorrientes en los sitios de las Camas de los Pacientes Áreas de atención crítica Tomacorrientes de puesto de cama de paciente Puesta a tierra e interconexión en la vecindad del paciente Puesta a Tierra del Tablero Puesta a Tierra de Tomacorrientes Especiales Eficiencia del SPAT Áreas Húmedas Técnicas de protección xi

11 9.20. Áreas para anestesia Lugares clasificados como peligrosos Lugares diferentes a los clasificados como peligrosos Equipos y puestas a tierra Dentro de locales de anestesia Por encima de ambientes de anestesia peligrosos Diferentes de ambientes de anestesia peligrosa Instalaciones para Rayos X Protección y Puesta a Tierra Pasillos CONCLUSIONES 97 A. Informe del Estudio de la Resistividad del Terreno 101 B. Ubicación del Electrodo de Puesta a Tierra 101 C. Detalles de Puesta a Tierra 105 D. Diagrama unifilar de la USI-II 107 E. Ubicación de los Pararrayos 109 F. Radio de acción de las puntas captadoras 111 G. Diagrama vertical del Sistema de Puesta a Tierra 114 H. Plano de Fuerza de Puesta a Tierra Sótano I. Tabla CEN 118 xii

12 ÍNDICE DE TABLAS I. Duración de la corriente para fibrilación.[1] II. Valores recomendados de resistencia de puesta a tierra según el tipo de instalación.[7] 27 III. Efecto del contenido de sal sobre la resistividad de una muestra de barro arenoso bajo las mismas condiciones (humedad y temperatura).[10] IV. Valores de resistividad en diferentes tipos de suelo.[10] V. Influencia de la humedad sobre la resistividad de una muestra.[10] VI. Efecto de la temperatura sobre la resistividad en una muestra de barro arenoso con 15 % de humedad.[10] VII. Factor de corrección por uso C1.[11] VIII. Factor de corrección por tipo de estructura C2.[11] IX. Factor de corrección por el contenido de la estructura C3.[11] X. Factor de corrección por la situación de la estructura C4.[11] XI. Factor de corrección por tipo de terreno C5.[11] XII. Eficiencia del SPDA de acuerdo al Nivel de Protección seleccionado.[11] XIII. Parámetros de acuerdo a los Niveles de Protección seleccionados para el SPDA.[12]. 63 XIV. Radio la esfera de atracción según el nivel de protección.[12] XV. Dimensiones de la malla según el nivel de protección xiii

13 XVI. Calibre de los conductores bajantes de acuerdo a la norma IEC para todos los niveles de protección XVII.Distancia Promedio de los conductores bajantes de acuerdo al Nivel de Protección seleccionado para el SPDA XVIII.Estudio de la resistividad del terreno xiv

14 ÍNDICE DE FIGURAS 1. Símbolo IEC 417, No [3] Símbolo IEC 417, No [3] Símbolo IEC 417, No [3] Símbolo IEC 417, No [3] Componentes de un SPAT.[4] Corriente de fibrilación vs. el peso corporal para diferentes animales. Basado en el golpe eléctrico durante tres segundos Voltaje de Paso [7] Voltaje de Toque [7] Instalación de una varilla Varilla Chem-Rod colocada en la tierra Método de los dos puntos.[17] Método de la caída de tensión.[17] Método de Wenner Método de Schlumberger Perfil de resistividad Componentes de un sistema de pararrayos.[11] Punta Franklin xv

15 18. Pararrayos Ionizante Área equivalente de la estructura a proteger Espacio protegido por el Sistema de Terminación de Aire formado por un solo mástil Aplicación del método de la esfera rodante Aplicación del método de mallas Ubicación propuesta del electrodo de tierra Dimensiones del área propuesta para la instalación del electrodo Configuración del electrodo de tierra Sistema de transferencia del sistema de respaldo. [13] Suelo conductivo para quirófano Mapa Isoceráunico de Venezuela Aplicación del método de las esferas rodantes Ubicación de los pararrayos y el área de protección Malla de tierra de referencia Tierra aislada (IG) para computadoras Tierra aislada (IG) para computadoras Receptáculos tipo IG Conexión del UPS xvi

16 TABLA DE ABREVIATURAS Y SÍMBOLOS Ω AWG BIL CEN cm CMDLT CPR FGB GCFI GND GPR Hz I IEC IEEE IG kg kv m ma MGB msnm PAT PC R P AT SPDA SPT us UPS USI II V Ohmios American Wire Gauge (Sistema de Calibres Americano) Nivel básico de aislamiento Código eléctrico nacional Centímetros Centro Médico Docente La Trinidad Respiración cardiovascular asistida Barra secundaria de tierra Interruptor de falla a tierra Tierra Elevación del potencial de tierra Hertz Corriente Comisión Electrotécnica Internacional Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos Tierra aislada Kilogramos Kilovoltio Metros miliamper Barra maestra de tierra Metros sobre el nivel del mar Puesta a Tierra Computadora personal Resistencia de puesta a tierra Sistema de protección contra descargas atmosféricas Sistema de Puesta a tierra Microsegundos Sistema de alimentación ininterrumpida Unidad Santa Inés II Voltio xvii

17 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN Los sistemas de puesta a tierra son componentes cada vez más importantes en los sistemas eléctricos, puesto que deben permitir la conducción hacia el suelo cargas originadas por descargas atmosféricas, electricidad estática o fallas del sistema y así garantizar la seguridad de personas y equipos. Los procedimientos para diseñar sistemas de tierras se basan en conceptos tradicionales, pero su aplicación puede ser muy compleja. Los conceptos son ciencia, pero la aplicación correcta es un arte, ya que cada instalación es única en su localización, tipo de suelo, y equipos a proteger. En este informe se presentarán los fundamentos teóricos relacionados a todos los elementos que conforman el sistemas de puesta a tierra. También se propondrá un diseño del sistema de puesta a tierra del Centro Médico Docente La Trinidad, ésta sección del informe contendrá los criterios del diseño (normas, códigos y prácticas recomendadas) así como el cálculo y ecuaciones empleadas para soportar el mismo. El Centro Médico Docente La Trinidad se caracteriza por ser una carga muy diversificada, por lo cual es necesario un enfoque distinto para ciertas partes de la instalación, por ejemplo; quirófanos, sistemas de respaldo de energía, centro de transformación, oficinas, centro de comunicaciones, son todas cargas muy diferentes y el enfoque del diseño de la puesta a tierra debe ser muy distintos para cada uno. Un aspecto que es sumamente importante es a quien está destinada la instalación, en el caso de quirófanos y salas de cuidados se deben diseñar con suma precaución ya que está en juego la vida del paciente. 1

18 2 El informe presentará en su inicio una breve descripción de la empresa y del proyecto desarrollado, así como los fundamentos teóricos básicos sobre los sistemas de puesta a tierra. Esta sección sobre los fundamentos teóricos abarcará temas sobre los electrodos, efecto de la corriente sobre el cuerpo humano, resistencia de puesta a tierra, resistividad del terreno y por último se presenta un breve estudio sobre el origen de las descargas atmosféricas y los sistema de protección contra este tipo de descargas. Para concluir el informe se presenta el diseño del sistema de puesta a tierra del Centro Médico Docente La Trinidad y además un conjunto de conclusiones y recomendaciones sobre el proyecto.

19 Capítulo 2 DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA Arturo Arenas y Asociados. El surgimiento de esta empresa, tiene su origen en la voluntad, propósito y visión de su fundador quien deposita su fe en lo que conocemos como la libre empresa y su desenvolvimiento en el mercado y la competencia. Se trata del Ingeniero Arturo Arenas, graduado en el año 1973 en la Universidad de Carabobo como Ingeniero Electricista. Comienza con una labor gerencial en la empresa CADAFE y continúa al frente de la Gerencia de Obras de la empresa Proyelec, C.A. Posteriormente, se dispone en sociedad con otros colegas, a dar los pasos iniciales para conformar una compañía anónima dedicada a la construcción en general. En el año 1978 la diversidad de criterios de cómo gerenciar una empresa pequeña produjo su desincorporación de la misma, de esta forma tuvo la oportunidad de relanzar su proyecto en compañía de un colega y compañero de estudios con quien intentaría incursionar en el área de las Instalaciones y Proyectos Eléctricos. Las diversas empresas fundadas en el período fueron exitosas y permitieron acumular conocimientos y experiencia, no sólo en el área técnica, sino en otros aspectos fundamentales, como las finanzas y el análisis permanente de la situación política, que permitió tomar decisiones oportunas para el manejo de las diversas crisis que a lo largo de estos años se han presentado ( ). A partir del año 1989, disuelta la sociedad anterior, el Ingeniero Arturo Arenas pasa a liderar sus empresas de manera absoluta, evita desviar esfuerzos hacia áreas que no sean la Electricidad y pasa a definir lo que a grandes rasgos es su objetivo fundamental, transformar una empresa de 3

20 4 Instalaciones Eléctricas en una empresa de Ingeniería Eléctrica. Esta transformación viene dada por una necesidad de dar respuesta a un mercado de nuevas tecnologías y múltiples exigencias: las asesorías para la construcción de Centros Comerciales, estudios de Ahorro Energético, Sistemas de Autogeneración y Cogeneración, Instalaciones y Proyectos en Alta y Baja Tensión. Para ello fue necesario consolidar un equipo de profesionales, técnicos y obreros calificados, además de una estructura administrativa para dar respuesta logística y financiera a la altura de obras y proyectos de envergadura. De allí las necesidades de organizar varias empresas, el personal técnico y profesional de acuerdo con sus actividades: Instalaciones, Estudios y Proyectos. En la actualidad la calidad técnica y el soporte financiero han permitido obtener el prestigio alcanzado hasta el momento. Unos 2130 proyectos aproximadamente, le dan al Ingeniero Arturo Arenas y las empresas que dirige una sólida posición en el mercado y un aval para continuar su crecimiento y el cumplimiento de sus objetivos.

21 Capítulo 3 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 3.1. Objeto del Proyecto Realizar el diseño del sistema de puesta a tierra de las instalaciones del Centro Médico Docente La Trinidad, ubicado en el sureste de Caracas, Distrito Capital, basándose en las normas establecidas en el Código Eléctrico Nacional, IEC y prácticas recomendadas del IEEE Alcance del Proyecto Para lograr el objetivo descrito anteriormente se cumplió con el desarrollo de las siguientes fases: Fundamentación teórica sobre los sistemas de puesta a tierra. Revisión de las normas, códigos y prácticas relacionadas con el tema. Estudio de las instalaciones del Centro Médico Docente La Trinidad. Diseño del electrodo de puesta a tierra. Diseño del sistema de protección de descargas atmosféricas. Diseño de la puesta a tierra de referencia de oficinas y DataCenter. Diseño de la puesta a tierra de quirófanos. 5

22 6 Especificación de la puesta a tierra del centro de transformación y del sistema de respaldo de energía. Especificación de las conexiones en las distintas salas del CMDLT. Digitalización de planos, diagramas y detalles que representen las instalaciones eléctricas diseñadas Normas y criterios Los criterios adoptados para la elaboración de este proyecto se fundamentan en los requerimientos aplicables del Código Eléctrico Nacional e IEC, así como las prácticas recomendadas del IEEE. Todas las ecuaciones aplicadas en este proyecto fueron extraídas de los documentos anteriormente mencionados. De acuerdo a lo expuesto anteriormente, se ha tratado de ejecutar un proyecto que reúna las condiciones normales de seguridad, confiabilidad, flexibilidad y sencillez, aplicables para este tipo de obra Descripción del Proyecto El Centro Médico Docente La Trinidad está ubicado en la Avenida Intercomunal La Trinidad-El Hatillo en el sureste de la ciudad de Caracas, el cuál presta servicios de excelencia de asistencia médica integral con énfasis en la prevención, diagnóstico y tratamiento. En la actualidad se está llevando a cabo un proyecto de expansión de las instalaciones del Centro Médico Docente la Trinidad, La Torre de Hospitalización, o su nombre final La Unidad Santa Inés-II. La Unidad Santa Inés II (USI II) con un área de construcción de 40,165m 2 y un máximo de 240 camas de hospitalización, dotada de la más avanzada tecnología, es la etapa más importante en el desarrollo del complejo que construye el Centro Médico Docente La Trinidad. Con su puesta en servicio se cuadriplicará la capacidad asistencial, actualmente es aproximadamente pacientes por mes, construida esta etapa aumentará la capacidad, con lo cual se reforzarán los servicios ambulatorios y diagnósticos ampliando la consulta que actualmente se lleva a cabo en los edificios

23 7 existentes. También cuenta con el Auditorio José María Vargas con capacidad para 150 personas. La necesidad de garantizar protección y seguridad está estrechamente relacionado con el diseño de las instalaciones eléctricas de la edificación. Un buen diseño de las instalaciones eléctricas requiere un estudio profundo del sistema de puesta a tierra. El proyecto de las instalaciones eléctricas fue realizado por Arturo Arenas & Asociados, pero la necesidad de proporcionar un mejor y más seguro diseño, debido a la naturaleza del proyecto, lleva a la empresa a replantear el sistema de puesta a tierra de la instalación. Requiriendo un diseño completo, que abarcara todos los elementos del proyecto, basado en normas, códigos y prácticas recomendadas por institutos tanto nacionales como internacionales. El diseño de este sistema de puesta a tierra presenta una dificultad añadida, ya que el proyecto no es desarrollado a la par del proyecto de instalaciones y las construcciones ya están iniciadas, por lo cual es necesario adaptar el diseño a las obras ya culminadas.

24 Capítulo 4 SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 4.1. Definición de Sistema de Puesta a Tierra El sistema de puesta a tierra (SPT) o grounding system es el conjunto de conductores, sin interruptores ni fusibles, por medio de los cuales se pone en contacto eléctrico los equipos presentes en una instalación y el sistema eléctrico con el suelo, los cuales ofrecen un camino de retorno de baja impedancia para las corrientes de fuga y de falla.[1] La puesta a tierra de los sistemas y conductores del circuito se hace con el fin de limitar las tensiones debidas a descargas atmosféricas, fallas a tierra, sobretensiones transitorias de línea o contactos accidentales con líneas de alto voltaje, así como estabilizar la tensión durante condiciones normales de operación. El sistema de puesta a tierra de los equipos de una instalación es conectado a un conductor puesto a tierra con el fin de proveer un camino de baja impedancia para corrientes de falla a tierra, de modo tal que facilite la correcta operación de los dispositivos de protección contra sobrecorriente, en casos de fallas a tierra. [2] 4.2. Simbología El símbolo usado para identificar la puesta a tierra según la IEC puede variar según la finalidad de la puesta a tierra, a continuación se presentan las distintas simbologías y su significado. 8

25 Terminal de Tierra (Earth terminal, ground terminal) Usado principalmente para terminales de tierra funcional los cuales están generalmente asociados a circuitos de prueba y medición. Estos terminales no son para puestas a tierra de seguridad pero proveen un punto de referencia de tierra. Figura 1: Símbolo IEC 417, No [3] Terminal del conductor de protección (Protective conductor terminal) Este símbolo está específicamente reservado para el terminal de puesta a tierra de protección y no otro. Está ubicado en el punto de puesta a tierra de los equipos y es obligatorio su especificación para todos los equipos. Figura 2: Símbolo IEC 417, No [3] Terminal de chasis o carcaza Es usado para identificar puntos que no son los de puesta a tierra de protección y funcional, en los cuales existe un punto de conexión accesible a partes conductores y alerta del uso de una conexión al chasis del equipo. Figura 3: Símbolo IEC 417, No [3]

26 Equipotencialidad Usado en aplicaciones donde es importante indicar al operador que dos o más puntos de tierra funcional son equipotenciales. Figura 4: Símbolo IEC 417, No [3] 4.3. Propósito y tipos de sistema de puesta a tierra Para la comprensión de las distintas aplicaciones de los sistemas de puesta a tierra estos se han clasificado según su propósito, como se presenta a continuación: Puesta a tierra de los sistemas eléctricos El propósito de poner a tierra los sistemas eléctricos es para limitar cualquier voltaje elevado que pueda resultar de descargas atmosféricas, fenómenos de inducción o, de contactos no intencionales con cables de voltajes más altos. Se logra uniendo mediante un conductor (apropiado a la corriente de falla a tierra total del sistema) el neutro del sistema eléctrico a tierra Puesta a tierra de los equipos eléctricos Su propósito es eliminar los potenciales de toque que pudieran poner en peligro la vida y las propiedades y para que operen las protecciones por sobrecorriente de los equipos. Se logra conectando al punto de conexión del sistema eléctrico con el planeta tierra, todas las partes metálicas que pueden llegar a energizarse, mediante un conductor apropiado a la corriente de corto circuito del propio sistema en el punto en cuestión.

27 Puesta a tierra de señales electrónicas Para evitar la contaminación con señales en frecuencias diferentes a la deseada. Se logra mediante blindajes de todo tipo conectados a una referencia cero, que puede ser el plano de tierra Puesta a tierra de protección electrónica Para evitar la destrucción de los elementos semiconductores por sobretensiones, se colocan dispositivos de protección conectados entre los conductores activos y la referencia cero, que puede ser la tierra Puesta a tierra de protección atmosférica Sirve para canalizar la energía provenientes de las descargas atmosféricas a tierra sin mayores daños a personas y propiedades Puesta a tierra de protección electrostática Sirve para neutralizar las cargas electrostáticas producidas en los materiales dieléctricos. Se logra uniendo todas las partes metálicas y dieléctricas, utilizando la tierra como referencia de voltaje cero Componentes Básicos de una Puesta a Tierra Las distintas partes que componen un sistema de puesta a tierra están identificadas en la figura 5 A continuación se explicarán cada una de las partes identificadas Electrodo Es un conductor o conjunto de utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito, en este caso la tierra. Electrodo del sistema de potencia: Es el encargado de conectar a tierra todos los conductores de tierra de la instalación, indirectamente se conectarán a este electrodo: equipos, transformadores, canalizaciones, neutro del sistema, etc.

28 12 Figura 5: Componentes de un SPAT.[4] Electrodo del sistema de protección ante descargas atmosféricas: Es el encargado de drenar a tierra toda o gran parte de la corriente proveniente de la descarga atmosférica y así disminuir la corriente que circula por el electrodo del sistema de potencia Barras equipotenciales: Son barras colectoras en las cuales se conecta todo lo que vaya a tierra. MGB o barra maestra de tierra: Es la primera barra colectora que ve el sistema de puesta a tierra. Es la encargada de conectar las líneas principales de tierra de la instalación y el electrodo de puesta a tierra. A dicha barra llegan diversos equipos de gran importancia y las FGB. FGB o barra secundaria de tierra: Es la barra por medio la cual se derivan las conexiones a tierra hacia los distintos equipos que se encuentran en la instalación.

29 Línea principal de tierra Es el conductor que une las FGB con las MGB Línea de enlace Es el conductor que interconecta los distintos electrodos del sistema de puesta a tierra directa o indirectamente. Esto se realiza para garantizar equipotencialidad en toda la instalación Pararrayos Es un dispositivo cuyo objetivo es atraer un rayo y canalizar la descarga eléctrica hacia tierra, de modo tal que no cause daños a construcciones o personas.[6] Descargadores de sobretensión Son los encargados de llevar a tierra las corrientes producto de las sobretensiones y así disminuir la magnitud de las sobretensiones y su efecto sobre los equipos Requisitos de un Sistema de Puesta a Tierra Para el eficiente funcionamiento de un sistema de puesta a tierra, éste debe reunir las siguientes cualidades: Valor de la resistencia adecuado para cada tipo de instalación. Debe garantizar condiciones de seguridad a los seres vivos. La variación de la resistencia debida a cambios ambientales debe ser mínima. Su vida útil debe ser mayor a 20 años. Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas. Alta capacidad de conducción y disipación de corriente. Evitar ruidos eléctricos.

30 14 Debe ser resistente a la corrosión. Su costo deber el menor posible sin comprometer la seguridad. Facilidad de mantenimiento y medición. Cumplir normas y especificaciones requeridas Etapas del diseño de un Sistema de Puesta a Tierra etapas. Para diseñar un sistema de puesta a tierra de alta calidad es necesario cumplir con las siguientes Determinación de los parámetros Esta etapa comprende el estudio del terreno, ambiente y del sistema eléctrico para el cual se diseña cualquier sistema de puesta a tierra. A continuación se definirán los diferentes pasos que se deben realizar en esta etapa.[4] 1. Definir la resistencia de puesta a tierra deseada. 2. Establecer las tensiones de seguridad permitidas. 3. Definir temperaturas máxima y ambiente. 4. Calcular la máxima corriente de falla a tierra. 5. Definir el máximo tiempo de despeje de la falla. 6. Obtener valores del nivel de aislamiento (BIL) de equipos. 7. Revisión de planos de la instalación. 8. Determinar área disponible. 9. Estudio de la resistividad del terreno. 10. Estudio del riesgo de descargas atmosféricas.

31 Diseño En la etapa de diseño se procederá a la determinación y cálculo de los electrodos y conductores necesarios en el sistema de puesta a tierra. Se llevarán a cabo los siguientes pasos: 1. Recopilar las normas y programas necesarios. 2. Definir geometría del sistema de puesta a tierra. 3. Elegir tipo de electrodo. 4. Definir profundidad de enterramiento. 5. Escoger material y resistividad de la capa superficial. 6. Definir tamaño de la retícula si es malla. 7. Calcular calibre y longitud del conductor. 8. Calcular resistencia de puesta a tierra. 9. Ajustar valores Análisis del comportamiento En esta etapa se estudia todo lo respecto a la seguridad del sistema. 1. Calcular tensiones de seguridad. 2. Calcular el GPR (máxima tensión de la malla respecto a una tierra remota). 3. Confrontar valores respecto a las especificaciones Topología En esta etapa se establece todo lo relacionado a la ubicación de los conductores y derivaciones pertinenetes 1. Ubicar cajas de inspección.

32 16 2. Definir rutas de cables. 3. Ubicar barrajes equipotenciales. 4. Interconectar con otros sistemas de puesta a tierra Materiales Aquí se definen todos los elementos y equipos a usar. Este etapa incluye especificaciones y costos. 1. Hacer listado de materiales. 2. Valorar materiales básicos y accesorios, equipos, herramientas. 3. Elaborar presupuesto Factores diseño de los sistemas de puesta a tierra Las principales variables que juegan papel en el diseño de un sistema de puesta son los siguientes: Características del sistema: Esta variable incluye aspectos como tipo de carga, equipos a proteger, así como la corriente de falla a tierra. Es importante ya que basados en estos debemos garantizar el buen desempeño del sistema de puesta a tierra asegurando seguridad para equipos y principalmente para las personas. Resistencia de puesta a tierra: esta variable determina la elevación del potencial del sistema de puesta a tierra y es importante para garantizar seguridad en el sistema. Resistividad del terreno: esta variable es un factor determinante en el resultado de la resistencia de puesta a tierra, así como la geometría empleada para la misma.

33 Capítulo 5 SEGURIDAD DE PERSONAS 5.1. Problema básico En principio, un diseño seguro de un sistema de puesta a tierra, según el standard IEEE [1], tiene los objetivos siguientes: Proveer los medios para conducir corrientes eléctricas hacia la tierra bajo condiciones normales y de fallas, sin exceder el límite de los equipos y cualquier otra operación ó que afecten severamente la continuidad del servicio. Asegurar que una persona no esté expuesta a los peligros de electrocución en las cercanías de una instalación puesta a tierra. Frecuentemente las personas asumen que cualquier objeto puesto a tierra se puede tocar con toda seguridad. Una subestación con resistencia baja a tierra no es, en sí misma, una garantía de seguridad. Esto no es simplemente una relación entre la resistencia del sistema de tierra como un todo y la corriente máxima al que una persona se puede exponer. Por lo tanto, una subestación de resistencia a tierra relativamente baja puede ser peligrosa, mientras que otra subestación con resistencia muy alta puede ser segura ó se puede hacer segura con un diseño adecuado. Es importante el estudio de la geometría, localización de electrodos de tierra, características del suelo local, y otros factores ya que pueden contribuir a un gradiente de potencial excesivo en la superficie terrestre, dicho sistema de puesta a tierra puede ser inadecuado a pesar de su 17

34 18 capacidad para transportar la corriente de falla en magnitudes y duraciones permitidas por los relés de protección Condiciones de riesgo A no ser que se tomen las precauciones apropiadas en el diseño, el gradiente de potencial máximo a lo largo de la superficie terrestre puede ser de magnitud suficiente, durante las condiciones de falla a tierra para poner en peligro a una persona en el área. Además, los voltajes peligrosos se pueden generar entre estructuras puestas a tierra ó en el chasis de los equipos y la tierra cercana. Las circunstancias que hacen posibles los accidentes de choque eléctrico son las siguientes: 1. Relativamente, la corriente alta de falla a tierra está en relación con el área del sistema de tierra y su resistencia a la tierra remota. 2. La resistividad del suelo y la distribución de corrientes a tierra, es tal que, un alto gradiente de potencial podría ocurrir en puntos de la superficie terrestre. 3. La presencia de un individuo en un punto, tiempo y posición tal, que el cuerpo este uniendo dos puntos de alta diferencia de potencial. 4. La falta de resistencias suficientes de contacto o resistencias en serie que limiten la corriente a través del cuerpo, a un valor seguro. 5. La duración de la falla y el contacto del cuerpo; consecuentemente el flujo de la corriente a través del cuerpo por un tiempo suficiente puede causar daños a una intensidad de corriente dada. La poca frecuencia de accidentes se debe, en gran parte, a la baja probabilidad de coincidencia de todas las condiciones perjudiciales descritas anteriormente Rango de corriente tolerable Los efectos de una corriente eléctrica que circula a través de las partes vitales del cuerpo humano dependen de la duración, magnitud y frecuencia de la misma. Al exponerse, la consecuencia más

35 19 peligrosa, es: la fibrilación Ventricular, que consiste en la restricción inmediata de la circulación sanguínea Efecto de la frecuencia Los seres humanos son muy vulnerables a los efectos de la corriente eléctrica, en las frecuencias de 50 ó 60 Hz. Las corrientes, cerca de 0.1 amperio pueden ser mortales. Las investigaciones indican que el cuerpo humano puede soportar una corriente un poco mayor a 25 Hz y en corriente directa 5 veces más grande. Curiosamente, algunos investigadores afirman que corrientes más altas pueden soportarse a frecuencias comprendidas entre los 3,000 a 10,000 Hz. Es importante mencionar que en algunos casos el cuerpo humano es capaz de tolerar corrientes muy altas, debido a descargas eléctricas El efecto de la duración y la magnitud Los efectos fisiológicos de la corriente eléctrica en el cuerpo establecidos en orden de incremento de la magnitud de corriente son: el umbral de percepción, contracción muscular, insensibilidad, fibrilación del corazón, obstrucción del nervio respiratorio y quemaduras. La corriente de 1 ma se reconoce generalmente como el umbral de percepción; que es, la magnitud de corriente en la cual una persona es capaz de sentir una sensación suave de hormigueo en sus manos o dedos, causado por la corriente que circula por su cuerpo en ese momento. Las corrientes de 1 a 6 ma, se catalogan a menudo como corrientes de soltura (liberación) Aun cuando son desagradables de soportar, generalmente no daña la habilidad de una persona en controlar sus músculos para liberar un objeto energizado que este sosteniendo. Corrientes comprendidas en el rango de los 9 a 25 ma, son dolorosas y es casi imposible liberar objetos energizados sujetados con la mano. Debido a las corrientes elevadas, las contracciones musculares dificultan la respiración. Este efecto no es permanente y desaparece cuando se interrumpe el flujo de corriente, a menos que la contracción sea muy severa y obstruya la respiración por minutos en lugar de segundos será necesaria aplicar la resucitación artificial (primeros auxilios). Hasta que el valor de la corriente se encuentre en el rango de los 60 a 100mA, la fibrilación ventricular, el paro del corazón ó la abstención de respiración, podría causar algún daño o la muerte,

36 20 por lo cual es necesario suministrar respiración cardiopulmonar (CPR) a la víctima hasta que pueda ser atendida en una instalación médica. Por consiguiente, es de suma importancia limitar las corrientes al umbral de fibrilación. Con un sistema de puesta a tierra diseñado cuidadosamente, los choques eléctricos pueden mantenerse por debajo de este valor y así, evitar lesiones a personas ó su muerte. Investigadores indican que la corriente de no-fibrilación de magnitud IB en un rango comprendido desde 0.03 a 0.3 segundos de duración, se refiere a la energía absorbida por el cuerpo, tal como se especifica en la ecuación 5.1. S B = I 2 B t S (5.1) Donde: I B es el valor rms de la corriente que circula través del cuerpo en amperios. t S es la duración a la exposición de corriente en segundos. S B es la constante empírica relacionada al golpe eléctrico, tolerado seguramente por un porcentaje de la población. En la tabla I se muestra un cuadro resumen de la magnitud de la corriente y el tiempo para fibrilacion. TABLA I: Duración de la corriente para fibrilación.[1] Corriente (ma) Tiempo para fibrilación (seg) , , Importancia de eliminar una falla rápidamente Considerando la importancia de la duración de la falla tanto en términos de la ecuación 5.1 e implícitamente como un factor de exposición-accidental, el eliminar rápidamente las fallas a tierra

37 21,es favorable por dos razones. 1. Al eliminar rápidamente la falla,el riesgo de exponerse a un golpe eléctrico se reduce enormemente, a diferencia de situaciones en las cuales, las corrientes de falla persistan por varios minutos, que pueden llegar a ser horas. 2. Varias pruebas y experimentos,muestran que si la duración del paso de corriente a través del cuerpo es corto, el riesgo de lesiones severas ó muerte se reducen enormemente. El valor de corriente permitido, puede basarse por lo tanto en el tiempo de despeje de las unidades de protección primaria o las protecciones de respaldo. Un buen proceso es utilizar el tiempo de despeje,debido al mal funcionamiento de los relés,que coincidirá con todos los factores contraproducentes necesarios para ocasionar un accidente. Al elegir el tiempo de desconexión de los relés de respaldo es más conservador obtenerlos en la ecuación 5.1, porque estos aseguran un margen superior de seguridad. Investigadores recomiendan, usar tiempos de interrupción menores a los 0,5 seg. Su investigación proporcionó la evidencia que un corazón humano, llega a ser susceptible cada vez más a una fibrilación ventricular, cuando el tiempo de exposición a la corriente se aproxima al tiempo del ritmo del corazón, pero ese peligro es mucho menor si el tiempo de exposición a la corriente es en el rango de los 0,06 a los 0,03 segundos. En realidad, los altos gradientes a tierra debido a fallas no son frecuentes y los golpes eléctricos debido a los altos gradientes a tierra son menos frecuentes. Además, ambos casos son comúnmente de muy corta duración. Así, no sería práctico hacer un diseño contra golpes eléctricos que son únicamente dolorosos y no ocasionan lesiones serias; esto corresponde, para corrientes abajo del umbral de fibrilación Límite de corriente tolerable por el cuerpo La duración y la magnitud de la corriente, que circula a través del cuerpo humano a una frecuencia de 50Hz ó 60Hz, deben ser menores al valor que causa la fibrilación ventricular del corazón.

38 Fórmula de la magnitud y duración de la corriente La cantidad (duración) de corriente que puede soportar la mayoría de personas a 50Hz ó 60Hz, se refiere a su magnitud, de acuerdo a la ecuación 5.2 y se asume que el 99,5 % de todas las personas pueden soportarla con seguridad, sin sufrir una fibrilación ventricular. El paso de una corriente con magnitud y duración, sé establece por la siguiente fórmula: I B = k t S (5.2) En donde, se agrega a los términos definidos anteriormente por la ecuación 5.1 k = SB, investigaciones descubrieron que el 99,5 % de las personas que pesan 50 libras pueden sobrevivir a un golpe eléctrico, lo que da como resultado un valor de SB = 0, Así, k 50 = 0, 116 y la fórmula para la corriente tolerable para un peso corporal de 50 kg es: I B = 0, 116 t S (5.3) La ecuación 5.3 da como resultado para un t S = 1 segundo, 116 ma y para un t S = 0, 1 segundo, 367 ma. Debido a que la ecuación 5.2 sé fundamenta en pruebas de un rango limitado entre 0,03 segundos y 3,0 segundos, obviamente no es válido para duraciones menores a 0,3 segundos ó mayores a 3,0 segundos. La corriente de fibrilación, se asume que es una función del peso corporal individual, tal como se ilustra en la Figura 6. Esta figura, muestra la relación entre la corriente crítica y el peso corporal, para las diversas especies de animales (cerdos, perros, ovejas y becerros), y en la zona del umbral se muestra un 0.5 Por esta misma razón no podemos mantener las mismas constantes S B y k para cuerpos de distinto peso. estudios posteriores,en que se basa la ecuación 5.2, llevan a que los valores de k = 0, 157 y de S B = 0, 0246, sean los que se deban aplicar a las personas con un peso estimado de 70 kg. Por lo tanto, la ecuación, para un peso corporal de 70 kg, queda de la siguiente manera:

39 23 Figura 6: Corriente de fibrilación vs. el peso corporal para diferentes animales. Basado en el golpe eléctrico durante tres segundos I B = 0, 157 t S (5.4) La Ecuación 5.2 indica que se pueden permitir corrientes corporales muchos mayores, en donde se pueda confiar, en que los dispositivos de protección de operación rápida limiten la duración de falla. Se necesita una decisión apropiada, para usar el tiempo de apertura los relés primarios de alta velocidad ó la protección de respaldo, como la base para el cálculo Criterio del voltaje tolerable La seguridad de una persona depende en prevenir que absorba una cantidad crítica de descarga eléctrica, antes de que la falla se elimine y se suspenda el servicio de energía al sistema. Antes de establecer los valores límites es primordial definir los tipos de voltaje que tomaremos en consideración para asegurar la seguridad de la instalación, los cuales son el voltaje de paso y voltaje de toque.

40 24 Voltaje de paso: Es la diferencia de potencial en la superficie del suelo experimentado por una persona a una distancia de 1 metro sin tener contacto con cualquier objeto puesto a tierra. La figura 7 ejemplifica el voltaje de paso. Figura 7: Voltaje de Paso [7] Voltaje de toque: Es la diferencia de potencial entre el aumento del potencial a tierra (GPR) y el potencial en la superficie, en un punto donde la persona esta de pie y al mismo tiempo hace contacto con la mano en una estructura puesta a tierra. La figura 8 ejemplifica el voltaje de paso. Figura 8: Voltaje de Toque [7] El manejo del voltaje máximo de cualquier circuito accidental no debe exceder los límites que se indican a continuación. Para el voltaje de paso el límite es: E P ASO = (R B + 2R F ).I B (5.5) 0, 116 E P ASO50 = ( C S. ρ S ).( ) (5.6) ts

41 25 para un peso corporal de 50 kg. 0, 157 E P ASO70 = ( C S. ρ S ).( ) (5.7) ts para un peso corporal de 70 kg. Similarmente, el límite del voltaje de toque es: E T OQUE = (R B + R F 2 ).I B (5.8) 0, 116 E T OQUE50 = (1000 1, 5.C S. ρ S ).( ) (5.9) ts para un peso corporal de 50 kg. 0, 157 E T OQUE70 = (1000 1, 5.C S. ρ S ).( ) (5.10) ts para un peso corporal de 70 kg. Donde: Epaso es el voltaje de paso en voltios. Etoque es el voltaje de toque en voltios. C S es el factor reductor de la capacidad normal. r S es la resistividad del material superficial en Ω.m t S es la duración del golpe de corriente en segundos Si no se usa la capa superficial protectora, entonces C S = 1 y ρ s = ρ.

42 Capítulo 6 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 6.1. Definición La resistencia de puesta a tierra es el valor de resistencia producto de la combinación de la configuración del electrodo de puesta a tierra y el terreno (resistividad). El factor más importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en sí, sino la resistividad del suelo mismo, por ello es requisito conocerla para calcular y diseñar la puesta a tierra de sistemas Valor de la resistencia de puesta a tierra El valor de la resistencia debe cumplir con un valor mínimo dependiendo del tipo de instalación para la cual se está diseñando. Los valores presentados en la Tabla II son recomendados, ya que la norma nacional, el CEN [2], solo indica que la resistencia de puesta a tierra debe ser menor a 25 Ω. 26

43 27 TABLA II: Valores recomendados de resistencia de puesta a tierra según el tipo de instalación.[7] Tipo de Instalación R P AT (Ω) Subestación eléctrica mayor (Vn >69 kv) <1 Subestación eléctrica media (69kV >Vn >34.5kV) <2 Subestación eléctrica menor (Vn <34.5kV) <3-5 Torre de transmisión =10-20 Sistema de protección contra rayos <10 Sistema BT (CEN) <25 Telecomunicaciones <5 Hospitales < Electrodo El electrodo de tierra es diseñado específicamente ó adaptado para descargar las corrientes de falla hacia la tierra. Es muy importante tomar en cuenta que en el CEN, los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eléctricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de unión principal del sistema. [2] De acuerdo con la norma oficial venezolana, CEN [2], el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los siguientes tipos de electrodos (siempre que existan): Tubería metálica de agua enterrada. Estructura metálica del inmueble. Electrodo empotrado en concreto. Anillo de tierra. Electrodos de varilla o tubería. Electrodos de Placa Otras estructuras o sistemas metálicos subterráneos cercanos. Los tipos de electrodos no recomendados por la norma oficial venezolana son:

44 28 1. Tuberías de gas enterradas. 2. Electrodos de aluminio. Para que las tuberías de gas puedan ser utilizadas estas deben tener una protección catódica a fin de evitar riesgos de explosión. Básicamente los electrodos de tierra pueden dividirse en dos grupos. Electrodos existentes: estos comprenden el sistema de tuberías subterráneas, estructura metálica de los edificios, pozos, en general, cualquier estructura metálica enterrada en el suelo para otro fin distinto al de la puesta a tierra.[8] Electrodos intencionales: son aquellos electrodos especialmente diseñados para ser empleados en los sistemas de puesta a tierra.[8] En los siguientes puntos se explica cada uno de esos tipos de electrodos Electrodos existentes Tubería metálica de agua enterrada Para que una tubería de agua pueda usarse como electrodo de puesta a tierra, debe reunir los siguientes requisitos: 1. Por lo menos tener 3 m en contacto directo con la tierra. 2. Eléctricamente continua hasta el punto de conexión, puenteando el medidor del agua, si está colocado en una posición intermedia. La única desventaja de su uso es que debe complementarse con un electrodo adicional, de cualquiera de los tipos mencionados arriba y que en sistemas compuestos en su mayoría por equipos electrónicos, la corriente de fuga a tierra es en parte corriente continua y provoca corrosión galvánica en las tuberías.

45 Estructura metálica del edificio La estructura metálica de los edificios puede ser usada, siempre que esté bien puesta a tierra, esto es, que su impedancia a tierra sea baja. Para que sea baja la impedancia, se deben unir las columnas a las partes metálicas de la cimentación con conductores según los calibres de los conductores de puesta a tierra de la norma y, en caso de haber sellos formados por películas plásticas, se deben puentear éstos Electrodos intencionales Entre los electrodos de puesta a tierra especialmente construidos para el sistema de puesta de tierra, se tienen los siguientes: Varillas De acuerdo con el CEN [2] los electrodos de varilla y tubo, no deben tener menos de 2,40 m de largo y deben instalarse de tal modo que por lo menos 2,20 m de su longitud esté en contacto con la tierra. Las varillas de metales no ferrosos deben estar aprobadas y tener un diámetro no inferior a 13 mm de diámetro, y las demás de por lo menos 16 mm. Las varillas de acero con un recubrimiento de cobre de 10 milésimas dura un promedio de 35 años en un suelo promedio; si tiene un recubrimiento de 13 milésimas dura hasta 45 años. En cambio, una varilla de acero galvanizado tiene una vida estimada de 15 años. Por lo cual es recomendado emplear varillas con recubrimiento de cobre, ya que asegura el buen funcionamiento de la puesta a tierra por años. Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusión hasta que alcanzan la profundidad adecuada. En caso de terrenos rocosos, las varillas no pueden meterse de esa manera; se doblan o solamente no pueden entrar. Ocasionalmente se ha sabido de casos donde las varillas se han devuelto hacia la superficie después de haber tratado de clavarlas en terrenos rocosos. Cuando la roca está a menos de 2,40 m, estos electrodos pueden meterse en diagonal hasta con un ángulo de 45 grados de la vertical. Pero, si no es este el caso, se deben enterrar horizontales en

46 30 una trinchera abierta para el caso a 800 mm de profundidad por lo menos, veáse la figura 9. Figura 9: Instalación de una varilla La alternativa al golpeado es perforar un agujero, instalar la varilla y rellenar nuevamente el agujero, aunque no se obtiene la compactación ni la baja resistencia de contacto de la varilla percutida. La resistencia de puesta a tierra de una jabalina está dada por la fórmula 6.1 [8]: donde: R = R es la resistencia de puesta a tierra ρp es la resistividad del terreno en Ω - m L es el largo de la varilla en m r es el radio de la varilla en m ρ 2.π.L.(ln(4.L r En el mercado podemos encontrar dos tipos de varillas de tierra: 1) (6.1) Varilla Copperweld Esta varilla es una de las más usadas, ya que es de bajo costo de material. Este tipo de electrodo esta hecho de acero y recubierto de una capa de cobre, su longitud suele ser de 2,4 m y 3 m y un diámetro de 16 mm. La varilla copperweld no tiene mucha área de contacto, pero sí una longitud considerable, con la cual es posible un contacto con capas de tierra húmedas, lo cual se obtiene un valor de resistencia bajo.

47 31 Varilla Chem-rod Esta varilla de puesta a tierra posee la característica especial de contener sales minerales en su interior las cuales son liberadas para acondicionar el terreno que rodea a la misma, esto permite garantizar una mejor resistencia de puesta a tierra durante el periodo de duración de la misma, cuando las sales se acaban pueden ser repuesta mediante kits especiales para tal n. La eficiencia de estas varilla es tan elevada que permite reemplazar hasta diez varillas de puesta a tierra convencionales por una sola chem-rod, esto es muy importante en terrenos donde se requieran resistencias de tierra muy pequeñas, y la cantidad necesaria de varillas convencionales se hace excesivamente numerosa. Estas están disponibles a nivel comercial en varios modelos, una vertical y una horizontal, cada una de estas se utilizara dependiendo del terreno y la capacidad de excavación que se disponga. La figura 10 muestra como está compuesta este tipo de varilla. El principal problema de este tipo de varilla es que necesitan que el terreno posea cierta humedad para que puedan ser liberadas las sales. Además hay que realizarles mantenimiento y continuo chequeo del contenido de sales dentro de las varillas, ya que al vaciarse estas no ofrecen ninguna mejora con respecto a las varillas Copperweld, y deben ser reemplazadas Electrodos de placa Los electrodos de placa no deberán tener menos de 0,2 metros cuadrados de superficie en contacto con el suelo. Y las placas de acero o fierro deberán tener por lo menos 6,4 mm de espesor. Si son de material no ferroso deberán tener por lo menos 1,52 mm de espesor.[2] Anillo de tierra Un anillo de tierra consiste en un conductor de cobre desnudo, de sección transversal no menor al calibre 2 AWG (por resistencia mecánica) y de longitud no menor a 6 m enterrado a una profundidad de 800 mm y, que preferiblemente, rodee al edificio o estructura. Estos anillos de tierras se emplean frecuentemente circundando una fábrica o un sitio de comunicaciones, para proveer un plano equipotencial alrededor de edificios y equipos.

48 32 Figura 10: Varilla Chem-Rod colocada en la tierra.

49 33 Para el cálculo del anillo de tierra se emplea la fórmula 6.2.[8] donde: R = ρ es la resistividad del terreno en Ω- cm L es el largo de la varilla en cm r es el radio de la varilla en cm D es el diámetro del anillo cm s/2 es la profundidad de enterramiento en cm ρ 2.π 2.D.(ln(8.D d + 4.D s ) (6.2) Electrodos en estrella En el caso de torres de radiodifusión, se emplean cables en configuración de estrella (radiales) para su puesta a tierra. Y, se ha encontrado más efectivo tener conectados los cables en un punto que tener múltiples anillos rodeando el sitio. Esos cables radiales llamados contra-antenas pueden ser menores a 30 m de largo si el suelo es adecuado. Los cables dispersan la energía de las descargas muy eficientemente. Como la corriente se divide en proporciones iguales en los cables radiales, entre más cables, menor corriente circula cada brazo de la estrella. Esto permite tener una baja corriente, la cuál es más fácil de disipar y tendrá menor impacto en la elevación del potencial de tierra del sistema. Para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra de los electrodos en estrella se emplearán las fórmulas presentadas en la práctica recomendada de la IEEE-142.[8] Estrella de tres puntas R = ρ 6.π.L.(ln(2.L a + 2.L s 1, 071 0, 209 s L + 0, 238 s2 L s4 0, ) (6.3) 2 L4 Estrella de cuatro puntas

50 34 R = Estrella de seis puntas ρ 8.π.L.(ln(2.L a + 2.L s + 2, 912 1, 071 s L + 0, 645 s2 L s4 + 0, ) (6.4) 2 L4 R = Estrella de ocho puntas ρ 12.π.L.(ln(2.L a + 2.L s + 6, 851 3, 128 s L + 1, 758 s2 L s4 + 0, 49...) (6.5) 2 L4 R = ρ 16.π.L.(ln(2.L a + 2.L s + 10, 98 5, 51 s L En donde: ρ es la resistividad del terreno en Ω-cm L es el largo de los brazos de la estrella en cm a es el radio de la varilla en cm D es el diámetro del anillo cm s/2 es la profundidad de enterramiento en cm + 3, 26 s2 L s4 + 1, 17...) (6.6) 2 L Mallas Los estándares sobre instalaciones eléctricas requiere de un sistema mallado de tierra con múltiples electrodos y conductores enterrados, cuando están involucradas tensiones y corrientes eléctricas muy altas, con el fin de minimizar los riesgos al personal en función de las tensiones de paso y de contacto La malla consta de una red de conductores enterrados a una profundidad que usualmente varía de 0,30 a 1,0 m, colocados paralela y perpendicularmente con un espaciamiento adecuado a la resistividad del terreno y preferentemente formando retículas cuadradas. El cable que forma el perímetro exterior de la malla debe ser continuo de manera que encierre toda el área en que se encuentra el equipo eléctrico de la subestación o planta generadora. Con ello, se evitan altas concentraciones de corriente y gradientes de potencial en el área y terminales cercanas.

51 35 En cada cruce de conductores de la malla, éstos deben conectarse rígidamente con soldadura exotérmica entre sí y en los puntos donde se conectan los equipos que pudieran presentar falla o, en las esquinas de la malla, los conductores deben conectarse a electrodos de varilla 2,4 m de longitud mínima, clavados verticalmente. Los cables que forman la malla deben colocarse preferentemente a lo largo de la estructuras o equipo para facilitar la conexión a los mismos. Los conectores empleados en la malla del sistema de tierras deben ser de tipo de compresión o soldables. Los cables empleados en las mallas de tierra son de: acero, acero inoxidable, acero galvanizado, y cobre. Para evitar la corrosión galvánica en terrenos de baja resistividad, algunas compañías eléctricas desde el diseño utilizan en sus mallas de tierras, cable de cobre estañado para bajar el potencial electronegativo entre los diferentes metales. El factor principal en la selección del material es la resistencia a la corrosión. El cobre es el material más utilizado porque es económico, tiene buena conductividad, es resistente a la corrosión y tiene un punto elevado de fusión (1083 o C) Electrodos de concreto Este tipo de electrodo consiste en un electrodo de metal, como una varilla o jabalina empotrada en cemento o concreto. El concreto tiene una estructura química ligeramente alcalina e higroscópica. La combinación de estas características provee iones libres que permiten al concreto exhibir una resistividad consistentemente de unos 30 Ω-m. Los electrodos de concreto tienen una resistencia a tierra menor o igual que las varillas de cobre de un tamaño comparable, siempre que estén en contacto con suelos con resistividad de 50 Ω-m o menor. Algunas pruebas indican que la resistencia típica a tierra de una base para columna de anclaje medida en los pernos es de alrededor de 50 Ω, sin usar métodos especiales. De ahí que la resistencia efectiva de un edificio de estructura metálica con veintitantas columnas en paralelo es de menos de 5 Ω, siempre y cuando se asegure que la estructura esté conectada a las varillas. Para ello, se suelda por métodos de fusión un cable de acero a las varillas, mismo que se conectará a su respectiva columna. En los lugares donde es posible que caigan descargas atmosféricas en el sistema de tierras con

52 36 electrodos de concreto, éstos deben complementarse con electrodos de otro tipo, para que las grandes corrientes debidas a esas descargas no causen ningún daño por fractura al evaporar muy rápidamente el agua presente en el concreto Medición de la resistencia de puesta a tierra La medición de la resistencia de puesta a tierra es necesaria para: Determinar la resistencia actual de las conexiones a tierra. Verificar la necesidad de un nuevo sistema de puesta a tierra. Determinar cambios en el sistema de puesta a tierra actual. Determinar los valores de los voltajes de paso y toque y su posible aumento que resulta de una corriente de falla en el sistema. Diseñar protecciones para el personal y los circuitos eléctricos y electrónicos. La resistencia, como ya sabemos, esta medida en ohms (Ω). Métodos de medición de la resistencia de puesta a tierra Algunos de los métodos de medición de la resistencia de puesta a tierra que existen se presentan a continuación: Método de los dos puntos Método de los tres puntos Método de la caída de tensión Método de la pendiente Método de la regla del 62 % Método radio.

53 37 Método de Tagg Método de la intersección de curvas Método estrella triángulo. En este informe solo se hará énfasis en los métodos más tradicionales, los cuales son los siguientes: Método de los dos Puntos o dos Polo [9] En este método se mide el total de la resistencia del electrodo en estudio más la resistencia de un electrodo auxiliar. La resistencia del electrodo auxiliar se considera muy pequeña comparada con la del electrodo en estudio y por tanto el resultado de la medición es tomado como la resistencia del electrodo en estudio. La usual aplicación de este método es para determinar la resistencia de un electrodo simple (varilla enterrada) en un área residencial donde se tiene además un sistema de suministro de agua que utiliza tuberías metálicas sin uniones con aislantes. La resistencia del sistema de suministro de agua en el área, la cuál se considera el electrodo auxiliar, se asume muy pequeña (alrededor de 1 Ω) en comparación con la resistencia máxima permitida para un electrodo simple (alrededor de 25 Ω). Este método esta sujeto a grandes errores cuando se desea medir la resistencia de un electrodo simple de poco valor; pero al menos puede dar una idea de la resistencia del sistema en estudio. En la figura 11 se muestra el esquema del método Método de los tres puntos El método de medición con el puente de Nippold requiere el emplazamiento de dos tomas de tierra auxiliares, cuyas resistencias de dispersión a tierra designaremos como R 2 y R 3, mientras que la resistencia de la toma bajo ensayo se denominará R 1. En estas condiciones, se miden las resistencias R 1 2, R 2 3 y R 1 3 comprendidas entre cada par de tomas, utilizando preferentemente un puente de corriente alterna. Como R 1 2 = R 1 + R 2, R 2 3 = R 2 + R 3 y R 1 3 = R 1 + R 3 ; resulta:

54 38 Figura 11: Método de los dos puntos.[17] R 1 = (R R 1 3 R 2 3 ) 2 (6.7) Las resistencias de cada uno de los electrodos auxiliares deben ser del mismo orden que la resistencia que se espera medir. Si las dos tomas auxiliares son de mayor resistencia que la toma de tierra bajo ensayo, los errores en las mediciones individuales serán significativamente magnificados en el resultado final obtenido con la ecuación anterior. Para tal caso se recomienda colocar los electrodos a una gran distancia entre sí. Para las tomas de tierra de áreas extensas, las que presumiblemente tienen bajos valores de resistencia, se recomienda que las distancias entre electrodos sean del orden de la mayor diagonal del área a medir. Este método resulta dificultoso para instalaciones de puesta a tierra de grandes subestaciones y centrales generadoras, donde resulta preferible el método de la caída de tensión.

55 Método de la caída de tensión El método consiste en inyectar una corriente de medición (I) que pasa por el terreno a través de la toma o dispersor de puesta a tierra a medir y por un electrodo auxiliar de corriente ubicado en un punto suficientemente alejado para ser considerado como integrante de la masa general del planeta (tierra verdadera). En estas condiciones se inca un segundo electrodo auxiliar de tensión ubicado a mitad de camino entre la toma bajo ensayo y el electrodo auxiliar de corriente, midiéndose la caída de tensión U que aparece entre la toma de tierra a medir y el electrodo auxiliar de tensión. Para medir la tensión se puede utilizar un potenciómetro o un voltímetro de alta impedancia interna, mientras que para medir la corriente se utiliza un amperímetro conectado directamente o a través de un tipo pinza, que facilita el trabajo al controlar instalaciones existentes. Por aplicación de la ley de Ohm, la resistencia R 1 del dispersor resulta: R 1 = U I (6.8) Las resistencias de cada uno de los electrodos auxiliares no presentan requisitos tan estrictos como en los métodos anteriores, si bien se recomienda que el electrodo de corriente tenga una resistencia lo suficientemente baja como para permitir un adecuado paso de la corriente. Si bien en teoría la influencia del dispersor se extiende hasta el infinito, debe considerarse que tal influencia varía inversamente con la distancia siguiendo una ley exponencial, pues la sección ofrecida a las trayectorias de corriente aumenta al alejarse del dicho dispersor. Por lo anterior, a los efectos prácticos dicha influencia se concentra en las cercanías del dispersor y se torna despreciable a distancias superiores a los 50 m en el caso de tomas de áreas reducidas o de simples electrodos El método de la caída de tensión resulta adecuado para casi todos los tipos de mediciones de resistencia de puesta a tierra. En una toma de tierra de área extensa, el electrodo de potencial se debe ir alejando de la toma bajo ensayo en forma escalonada, registrando el valor medido en cada escalón. Al graficar los valores obtenidos en función de la distancia entre la toma y el electrodo de tensión se obtiene una curva que tiende a nivelarse en un determinado valor, que representa el valor mas probable de la resistencia de

56 40 la toma de tierra. En estos casos, también debe prestarse atención a la posibilidad de la existencia de resistencias parásitas de conexión. Cuando se aplica este método se debe tener en cuenta que pueden existir tensiones espurias provocadas por corrientes vagabundas en el terreno, capaces de alterar la medida. Por ello, interrumpiendo la corriente debe verificarse que la lectura del voltímetro sea nula o despreciable. Si no lo es, el método no es aplicable. En la Figura 12 se observa la forma en que se instala el Megger para realizar las mediciones por este método. Figura 12: Método de la caída de tensión.[17]

57 Capítulo 7 RESISTIVIDAD DEL TERRENO El factor más importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en sí, sino la resistividad del suelo mismo, por ello es requisito conocerla para calcular y diseñar el sistema de puesta a tierra Definición La resistividad se define como el grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohmios por metro (Ω.m, a veces también en Ω.m/mm 2 ). Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de la corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. [5] En su medición, se promedian los efectos de las diferentes capas que componen el terreno bajo estudio, ya que éstos no suelen ser uniformes en cuanto a su composición, obteniéndose lo que se denomina Resistividad Aparente que para el interés de este trabajo, será conocida simplemente como Resistividad del Terreno. La medición de la resistividad es útil para los siguientes propósitos: Estimación de la resistencia de puesta a tierra del sistema. Estimación de los voltajes de paso y toque. 41

58 42 En la práctica, la medición de resistividad es realizada primero, para identificar un buen sitio para la puesta a tierra y hacer el cálculo teórico para su diseño óptimo. Después se realiza la medición de resistencia para verificar que se ha logrado el valor deseado según lo requerimientos Factores que inciden en la resistividad Es de gran importancia que se investigue la resistividad del suelo cada vez que se tenga como objetivo la instalación de un sistema de puesta a tierra, ya que la resistividad del suelo fluctúa por muchas razones y ampliamente a lo largo y ancho del globo terrestre. A continuación se presentará una recopilación de los factores que más inciden en la resistividad Sales solubles La resistividad del suelo es determinada principalmente por su cantidad de electrolitos; esto es, por la cantidad de humedad, minerales y sales disueltas. Como ejemplo, para valores de 1 % (por peso) de sal (NaCl) o mayores, la resistividad es prácticamente la misma, pero, para valores menores de esa cantidad, la resistividad es muy alta. En la tabla III se muestra como varía la resistividad en función de la sal añadida. TABLA III: Efecto del contenido de sal sobre la resistividad de una muestra de barro arenoso bajo las mismas condiciones (humedad y temperatura).[10] Sal añadida ( % en peso) Resistividad (Ω.m) , ,6 5 1,9 10 1, Composición del terreno La composición del terreno depende de la naturaleza del mismo. Los rangos de resistividad, según la composición del terreno son muy amplios. En un sitio determinado, no es posible dar los

59 43 valores de resistividad hasta no hacer la medición. Sucede, incluso, que para una misma clase de terreno, situada en distintas regiones, la resistividad pueda ser sensiblemente diferente. Por ejemplo, el suelo de arcilla normal tiene una resistividad de Ω-m por lo que una varilla electrodo enterrada 3 m tendrá una resistencia a tierra de 15 a 200 Ω respectivamente. En cambio, la resistividad de un terreno rocoso es de 5000 Ω-m o más alta, y tratar de conseguir una resistencia a tierra de unos 100 Ω o menos con una sola varilla electrodo es virtualmente imposible. En la tabla IV se muestra como varía la resistividad para terrenos de distinta composición. TABLA IV: Valores de resistividad en diferentes tipos de suelo.[10] Composición física Resistividad (Ω.m) Agua de mar (referencia) 1-2 Pantano 2-3 Arcilla Arcilla con arena y grava Creta Caliza Granito Pizarra Roca (normal cristalizada) Estratificación del terreno La composición del suelo es generalmente estratificada en varias capas o formaciones diferentes, lo cual se traduce en resistividades en cada capa o estrato. Este hecho presenta una contradicción con muchos textos y memorias de cálculo de proyectos, donde se asume que el suelo es uniforme Granulometría Influye bastante sobre la porosidad y el poder retenedor de humedad y sobre la calidad del contacto con los electrodos aumentando la resistividad con el mayor tamaño de los granos de la tierra. Por esta razón la resistividad de la grava es superior a la de la arena y de que ésta sea mayor que la de la arcilla.

60 Estado higrométrico El contenido de agua y la humedad influyen en forma apreciable. Su valor varía con el clima, época del año, profundidad y el nivel freático. Como ejemplo, la resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15 % del peso de éste. Pero, un mayor contenido de humedad del 15 % mencionado, causa que la resistividad sea prácticamente constante. Y, puede tenerse el caso de que en tiempo de sequía, un terreno puede tener tal resistividad que no pueda ser empleado en el sistema de tierras. Por ello, el sistema debe ser diseñado tomando en cuenta la resistividad en el peor de los casos. TABLA V: Influencia de la humedad sobre la resistividad de una muestra.[10] Contenido de humedad Resistividad (Ω m) ( % en peso) Capa Superior Barro Arenoso , Temperatura A medida que desciende la temperatura aumenta la resistividad del terreno y ese aumento se nota aún más al llegar a 0 C, hasta el punto que, a medida que es mayor la cantidad de agua en estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de los electrolitos los cuales influyen en la resistividad de la tierra Compactación Un suelo más compacto presenta una mayor continuidad física, lo que en principio facilita una mejor conductividad, es decir, la resistividad del terreno es inversamente proporcional al nivel de compactación del mismo. La resistividad del terreno disminuye al aumentar la compactación del mismo. Por ello, se procurará siempre colocar los electrodos en los terrenos más compactos posibles.

61 45 TABLA VI: Efecto de la temperatura sobre la resistividad en una muestra de barro arenoso con 15 % de humedad.[10] Temperatura o C Resistividad (Ω.m) Es recomendable, por este motivo, esperar cierto tiempo después de hecha la instalación para realizar la medición oficial de su resistencia Medición de la resistividad del suelo La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso de la roca en estudios geofísicos, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una subestación, sistema electrónico, planta generadora o transmisora de radiofrecuencia. Asimismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas.en general, los lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión. El perfil de la resistividad del suelo determinará el valor de la resistencia a tierra y la profundidad de nuestro sistema de puesta a tierra. Para medir la resistividad del suelo se requiere de un terrómetro (llamado en otros países: telurómetro) o Megger de tierras de cuatro terminales. Los aparatos de mayor uso, de acuerdo a su principio de operación, pueden ser de 2 tipos: del tipo de compensación de equilibrio en cero y el de lectura directa. Los terrómetros deben inyectar una corriente de frecuencia que no sea de 60 Hz para evitar se midan voltajes y corrientes que no se deban al aparato sino a ruidos eléctricos. Por ejemplo, si estamos cerca de una subestación o de una línea en servicio, y vamos a realizar mediciones de resistividad y resistencia de tierra, con un aparato de 60 Hz, dichos sistemas van a inducir corrientes por el suelo debido a los campos electromagnéticos de 60 Hz y darán una lectura errónea. De igual manera sucede cuando los electrodos de prueba están mal conectados o tienen falsos

62 46 contactos, darán señales falsas de corriente y voltaje. Si hay corrientes distintas a las que envió el aparato, éste leerá otras señales de voltaje y corriente que no son las adecuadas. También estos aparatos de repente tienen oscilaciones en sus lecturas y no es posible leerlas. Un aparato inteligente, lleva conductores blindados, coaxiales, tiene sistemas de filtraje, de análisis y mide lo que halla, pero esa información la analiza, la filtra y luego la deduce. Por ejemplo, para hacer una medición manda una señal de 100 Hz y mide; luego manda otra señal de 150 Hz y vuelve a medir y puede seguir enviando otras altas frecuencias hasta que los valores van siendo similares, forma una estadística y obtiene un promedio. Los terrómetros son analógicos o digitales y deben contener 4 carretes de cable calibre 14 AWG normalmente. Para enrrollamiento rápido se recomienda construir un sistema devanador que permita reducir el tiempo de la medición. También traen 4 electrodos de material con la dureza suficiente para ser hincados en la tierra con marro. Son de una longitud aproximada de 60 cm y un diámetro de 16 mm. Además de lo anterior se hace necesario contar con una cinta no metálica de 50 m aproximadamente. Los terrómetros tienen cuatro terminales 2 de corriente (C1, C2) y 2 de potencial (P1, P2) y están numerados en el aparato C1 P1 P2 C2. Los terrómetros deben estar certificados y probados en el campo con una resistencia antes de realizar las mediciones. Como la medición obtenida por un terrómetro es puntual, se deben hacer mediciones en un sentido, en otro a 90 grados del primero, y, en el sentido de las diagonales. En la medición de resistividad de un terreno, es común encontrar valores muy dispares, causados por la geología del terreno, por lo que es una práctica común de una tabla con lecturas, el eliminar los valores que estén 50 % arriba o abajo del promedio aritmético de todos los valores capturados Método de Wenner Con objeto de medir la resistividad del suelo se hace necesario insertar los 4 electrodos en el suelo. Los cuatro electrodos se colocan en línea recta y a una misma profundidad de penetración, las mediciones de resistividad dependerán de la distancia entre electrodos y de la resistividad del terreno, y por el contrario no dependen en forma apreciable del tamaño y del material de los electrodos, aunque sí dependen de la clase de contacto que se haga con la tierra. El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de baja frecuencia a

63 47 través de la tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el potencial que aparece se mide entre dos electrodos P1 y P2. Estos electrodos están enterrados en línea recta y a igual separación entre ellos. La razón V/I es conocida como la resistencia aparente. La resistividad aparente del terreno es una función de esta resistencia y de la geometría del electrodo. Figura 13: Método de Wenner En la figura 13 se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos, en donde la corriente se inyecta a través de los electrodos exteriores y el potencial se mide a través de los electrodos interiores. La resistividad aparente está dada por la siguiente expresión: ρ = 4.π.A.R 2.A 2.A [1 + [ ] [ ]] (A 2 +4.B 2 ) 0,5 (4.A 2 +4.B 2 ) 0,5 (7.1) Si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de separación entre electrodos (A). O sea A >20B, la siguiente fórmula simplificada se puede aplicar: ρ = 2.π.A.R (7.2) La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la resistividad promedio de un hemisferio de terreno de un radio igual a la separación de los electrodos. Como ejemplo, si la distancia entre electrodos A es de 3 metros, B es 0,15 m y la lectura del instrumento es de 0,43 Ω, la resistividad promedio del terreno a una profundidad de 3 metros, es de 8,141 Ω-m según la fórmula completa y de 8,105 Ω-m según la fórmula simplificada.

64 48 Se recomienda que se tomen lecturas en diferentes lugares y a 90 grados unas de otras para que no sean afectadas por estructuras metálicas subterráneas. Y, que con ellas se obtenga el promedio Método de Schlumberger El método de Schlumberger es una modificación del método de Wenner, ya que también emplea 4 electrodos, pero en este caso la separación entre los electrodos centrales o de potencial (a) se mantiene constante, y las mediciones se realizan variando la distancia de los electrodos exteriores a partir de los electrodos interiores, a distancia múltiplos (na) de la separación base de los electrodos internos (a). La configuración, así como la expresión de la resistividad correspondiente a este método de medición se muestra en la figura 14. Figura 14: Método de Schlumberger ρ = 2.π.R.(n + 1).na (7.3) El método de Schlumberger es de gran utilidad cuando se requieren conocer las resistividades de capas más profundas, sin necesidad de realizar muchas mediciones como con el método Wenner. Se utiliza también cuando los aparatos de medición son poco inteligentes. Solamente se recomienda hacer mediciones a 90 grados para que no resulten afectadas las lecturas por estructuras subterráneas.

65 Perfil de resistividad Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, se utiliza el Método de Wenner con espaciamientos entre electrodos de prueba cada vez mayores. Por lo general, para cada espaciamiento se toman dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí. La gráfica resultante (figura 15) de trazar el promedio de las mediciones de resistividad (R) contra distancia entre electrodos (a) se denomina perfil de resistividad aparente del terreno. Figura 15: Perfil de resistividad Condiciones para las medidas de resistividad del suelo Cuando el área está próxima a instalaciones eléctricas subterráneas o aéreas, especialmente de Alta Tensión, se optará por un alejamiento de 50 m; complementariamente se aplicarán las siguientes condiciones: Para la Seguridad del Operador que mide cerca de Instalaciones Eléctricas Energizadas Los Operadores de Medidas deben utilizar guantes y zapatos aislantes. No medir bajo lluvia, neblina densa o humedad relativa Hr>80 % cerca de Líneas Eléctricas o Subestaciones. No medir cuando hay Tormentas y Rayos aguas arriba o aguas abajo de la Líneas Eléctricas.

66 Para Asegurar la Representatividad de las Medidas de Campo Considerando la Estación climática del sitio. Verano (costa), Estiaje (Sierra, Selva); aplicar valor directamente el resultado. Invierno (costa), Lluvias (Sierra, Selva); aplicar el resultado corregido. Evitar medir en suelos recién humedecidos por riego o lluvia, o en suelos removidos. Anticipadamente Verificar el instrumento y los accesorios de medida. Contrastación con Resistencia Patrón. Prueba de aislamiento de los Conductores. Prueba de conducción de los Terminales. Prueba de ajuste de los Conectores Para Asegurar la Precisión de las Medidas Evitar la superposición de los circuitos de medida ( I ) y ( V ). Asegurar buen contacto entre los Electrodos clavados y el Suelo. Evitar paralelismo con Líneas Eléctricas Aéreas y Subterráneas. Evitar proximidad con Objetos Conductores de superficie y subterráneos. Evitar la influencia directa de los circuitos de Alta Tensión. Medir en horas de ausencia o mínimas corrientes erráticas o geomagnéticas.

67 Capítulo 8 SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 8.1. Descargas atmosféricas Cuando se habla de descargas atmosféricas, hablamos de rayos. El rayo es una poderosa descarga electrostática natural producida durante una tormenta eléctrica. La descarga eléctrica precipitada del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago). La electricidad (corriente eléctrica) que pasa a través de la atmósfera calienta y se expande rápidamente el aire, produciendo el ruido característico del trueno del relámpago. Es necesario conocer el origen y protegernos contra las descargas atmosféricas, ya que su poder destructivo debido a la gran energía que maneja en mínimos intervalos de tiempo, es muy grande. Existen básicamente cuatro tipo de descargas atmosféricas: Descargas dentro de la nube. Descargas entre nubes. Descargas nube-tierra. 51

68 52 Descargas nube-ionósfera. De todas ellas, la más perjudicial es la nube tierra, pues es la que puede producir daños a estructuras, animales y personas Origen de las descargas atmosféricas.[6] El primer proceso en la generación del rayo es la separación de cargas positivas y negativas dentro de una nube. Los cristales de hielo dentro de las nubes cumulonimbus se frotan entre sí debido a las corrientes aéreas ascendentes fuertes en estas nubes, acumulando así una carga estática fuerte. Los cristales positivamente cargados tienden a ascender lo que hace que la capa superior de la nube acumule una carga estática positiva. Los cristales negativamente cargados y los granizos caen a las capas del centro y del fondo de la nube que acumula una carga estática negativa. Las nubes cumulonimbus que no producen suficientes cristales de hielo, en general, no pueden producir bastante electricidad estática para causar el rayo. El relámpago puede también ocurrir como resultado de las erupciones volcánicas o de los fuegos violentos del bosque que generan el suficiente polvo para crear una carga estática. El segundo proceso es la acumulación de cargas positivas en la tierra debajo de las nubes. La tierra normalmente se carga negativamente con respecto a la atmósfera. Pero como la tormenta eléctrica pasa sobre la tierra, las cargas negativas en el fondo de la nube cumulonimbus causan que las cargas positivas se reúnan en la superficie en un radio de varios kilómetros a la redonda y se concentren en objetos verticales como árboles y edificios altos. El tercer proceso es la generación de la descarga. Cuando las cargas negativas y positivas se reúnen de esta manera, se produce una descarga eléctrica dentro de las nubes o entre las nubes y la tierra, produciendo el relámpago. Esta descarga atmosférica, es producto de la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes. Y es consecuencia de un rompimiento dieléctrico atmosférico. Este rompimiento una vez iniciado, avanza en zigzag a razón de unos 50 metros por microsegundo con descansos de 50 microsegundos. Una vez que el rompimiento creó una columna de plasma en el aire, la descarga eléctrica surgirá inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de radio del punto de potencial más alto. Y,

69 53 cualquier objeto puede ser el foco de esta descarga hacia arriba de partículas positivas, aún desde una parte metálica debajo de una torre. Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas eléctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metálicas, y entre conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, aún sin la descarga, una nube cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente debajo de ella. El campo eléctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre y V/m. Y una nube de tormenta promedio podría contener unos 140 MWh de energía con voltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intranube de unos 40 Coulombs. Esta energía es la que se disipa mediante los rayos, con corrientes pico que van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 ka con un percentil (50) de 20 ka. Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caída de rayos en un lugar. Por ejemplo, la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura sobre el terreno circundante. Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente vulnerables. Además, las puntas agudas incrementan también la probabilidad de una descarga. Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello son causa de interferencia en sistemas electrónicos. Son de alta frecuencia por la elevada razón de cambio de la señal, de aproximadamente 1 us Sistemas de pararrayos. La protección de estructuras es más tolerante que una protección electrónica. Así, un edificio puede tolerar hasta V mientras que componentes electrónicos a 24 V se dañarán con voltajes sostenidos de 48 V. Las descargas atmosféricas ocurren con diferentes intensidades y un sistema que proteja contra su efecto deberá ser diseñado tomando en cuenta las descargas promedio o mayores del área en cuestión. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energía puede ser desviada en una forma controlada.

70 54 El sistema de protección contra descargas atmosféricas está constituido de la siguiente manera y su finalidad es la siguiente. Sistema de terminación de aire: capturar el rayo en el punto diseñado para tal propósito. Sistema de conductores bajantes: conducir la energía de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables conductores que transfiere la energía de la descarga mediante trayectorias de baja impedancia. Sistema de terminación de tierra: disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos) en tierra En la figura 16 se muestran cada uno de los componentes del sistema de pararrayos. Figura 16: Componentes de un sistema de pararrayos.[11] Cuando la energía de una descarga viaja a través de una trayectoria de gran impedancia, el daño causado puede ser grave por el calor y las fuerzas mecánicas que se crean. Como la tierra no tiene una resistividad uniforme en todos los puntos, dentro de un mismo sitio puede existir un potencial

71 55 entre dos placas de metal enterradas. Por eso, en un sistema de electrodos múltiples conectados entre sí, a manera de malla, existe la probabilidad de que exista una diferencia de potencial entre algunos de sus puntos puestos a tierra. El problema de diferencia de potenciales entre electrodos se complica aún más cuando una nube cargada pasa por encima de la malla. Además, una descarga eléctrica que caiga cerca, causará grandes corrientes en la tierra para restablecer el equilibrio de cargas. Al fluir esta corriente por tierra, causará una diferencia de potencial entre los diferentes electrodos y esta diferencia de potencial, a su vez, causará que fluya corriente por los conductores de la malla. Es conocido que un campo magnético se crea cada vez que existe una descarga atmosférica, no importando si es a tierra o entre nubes. Este campo induce una corriente en cualquier conductor en la vecindad de la descarga. Si existen electrodos al final de ese conductor, fluirá por tierra la corriente cerrando el circuito. Por ejemplo, un oleoducto puede transmitir la corriente de una descarga a una gran distancia del punto donde la descarga tuvo lugar Tipos de Pararrayos Punta Franklin Su misión es provocar la excitación atmosférica por encima de cualquier otro punto de la estructura a proteger, para aumentar la probabilidad que la descarga incida en su zona de inuencia, y derivar a tierra la corriente de la descarga atmosférica. Entre sus aplicaciones se tiene: Facilita la instalación de sistemas de protección externa en todo tipo de estructuras y edificaciones. Es el complemento ideal en sistemas de Malla. Estadísticamente se ha comprobado que su zona de protección se debe calcular aproximadamente en radio igual a su altura. El pararrayos Franklin es el sistema óptimo para proteger edificaciones donde la altura predomina a la superficie

72 56 Una instalación típica comprende: Una varilla captadora, junto con su mástil. Uno o dos bajantes. Un desconectador por bajante para la comprobación de la resistencia de la estructura. Un elemento protector contra golpes en los dos últimos metros del bajante conductor. Una toma de tierra por bajante. Unión equipotencial de las tomas de tierra y circuito general de tierras. Figura 17: Punta Franklin Pararrayos Ionizante Se fabrica en Bronce o Acero inoxidable, y esta basado en el efecto de puntas, dieléctrico, e ión corona. Su cobertura es igual o mejor a la punta Franklin, y se asemeja a una semiesfera centrada en el mismo. El principio de protección es: partiendo del campo eléctrico ambiente existente en cualquier situación de tormenta, un dispositivo de cebado genera impulsos de alta tensión sobre los electrodos, provocando un efecto corona. Produce una ionización dirigida hacia la nube, canalizando desde su origen, la posible descarga eléctrica Este efecto consiste en la descarga que se produce entorno a los puntos agudos de un cuerpo cargado a un alto potencial, y se establece la corriente de descarga desde estos puntos a la atmósfera.

73 57 Figura 18: Pararrayos Ionizante Jaula de Faraday El sistema consiste en la recepción de la descarga atmosférica a través de un conjunto de puntas captadoras unidas entre sí por cable conductor, formando una malla, y derivarla a tierra mediante una red de bajantes conductores. Múltiples puntas captadoras. Red de unión de las diversas puntas. Una bajante conductora por punta captadora. Una toma de tierra por bajante. Unión equipotencial de las tomas de tierra y circuito general de tierras Determinación del nivel de protección de un sistema de protección contra descargas atmosféricas El nivel de protección de un sistema de protección ante descargas atmosféricas se determina mediante la eficiencia que se requiera para proteger la estructura. La eficiencia del SPDA se calcula mediante la siguiente fórmula:

74 58 E > 1 Nr Np (8.1) Donde: Nr: Índice de riesgo real de la estructura. Np: Índice de riesgo máximo permitido. Para la estimación del índice de riesgo real de la estructura, Nr, es necesario aplicar la siguiente ecuación: Nr = Ae.Ng.K,10 6 (8.2) Donde: K= Ks. C1. C2. C3. C4. C5 y es un factor que depende de diversas variables. A continuación se definen cada variable. Ks: factor de seguridad, usualmente se considera como 1,1. C1: factor de corrección por uso de la instalación, los diversos valores que puede tomar están presentados en la tabla VII. TABLA VII: Factor de corrección por uso C1.[11] Característica Valor del factor C1 Casas o edificios de viviendas 0,3 Casas o edificios con áreas abiertas 0,7 Fábricas, laboratorios o similares 1 Oficinas, hoteles o similares 1,2 Lugares públicos: iglesias, teatros, cines,etc. 1,3 Escuelas,hospitales o similares 1,7 C2: factor de corrección por uso de la instalación, los diversos valores que puede tomar están presentados en la tabla VIII. C3: factor de corrección por el contenido de la instalación, los diversos valores que puede tomar están presentados en la tabla IX. C4: factor de corrección por la situación de la instalación, los diversos valores que puede tomar

75 59 TABLA VIII: Factor de corrección por tipo de estructura C2.[11] Característica Valor del factor C2 Estructura y techo de metal o acero reforzado 0,1 Estructura de metal o acero de refuerzo y techo de otro material no metálico 0,3 Estructura de y techo de materiales prefabricados como concreto o fibras 1,2 Estructura y techo de materiales inflamables 2 TABLA IX: Factor de corrección por el contenido de la estructura C3.[11] Característica Valor del factor C3 Uso doméstico o de oficinas sin valor 0,3 Edificios industriales o de agricultura 0,8 Estaciones eléctricas, de gas o telecomunicaciones 1 Edificaciones industriales clave, monumentos históricos, museos, etc. 1,3 Escuelas, hospitales o lugares públicos 1,7 están presentados en la tabla X. TABLA X: Factor de corrección por la situación de la estructura C4.[11] Característica Valor del factor C4 Estructura situada en un espacio donde hay otras estructuras o árboles de la misma altura o más altos 0,4 Estructura situada en un espacio donde hay otras estructuras o árboles de la misma altura o más bajos 1 Estructura completamente aislada 2 C5: factor de corrección por tipo de terreno, los diversos valores que puede tomar están presentados en la tabla XI Para el cálculo de Np es necesario tener en cuenta los siguientes factores relacionados con la estructura a proteger.[12] Tipo de construcción. Presencia de sustancias inflamables. Medidas adoptadas para reducir los efectos de las descargas atmosféricas.

76 60 TABLA XI: Factor de corrección por tipo de terreno C5.[11] Característica Valor del factor C5 Plano 0,3 En pequeñas colinas 1 Montañas <1000 msnm 1,3 Montañas >1000 msnm 1,7 Tipo e importancia del servicio público relacionado a la edificación. El valor de los bienes que podrían resultar afectados. Para calcular Nd empleamos la siguiente fórmula: Nd = Ng.Ae,10 6 por año (8.3) Donde: Ng es la densidad anual de descargas atmosféricas a tierra (por Km2 por año) concerniente a la región donde la estructura está localizada Ae es el área equivalente de la estructura (en m2). El área equivalente de la estructura se define como el área de superficie de tierra con la misma frecuencia anual de descargas atmosféricas directas que la estructura. La densidad de descargas atmosféricas a tierra, Ng, se calcula de la siguiente manera: Ng = 0, 04.T d,1, 25porKm 2 por año (8.4) Donde: Td es el número de días de tormenta al año obtenidos de los mapas isoceráunicos. Ahora, para el cálculo del área equivalente de la estructura a proteger se emplea la siguiente ecuación: Ae = L.W + 2.L.H + π H 2 (8.5) Donde: H es la altura de la estructura

77 61 L es el largo de la estructura W es el ancho de la estructura Dichas dimensiones salen reflejadas en la figura 19 Figura 19: Área equivalente de la estructura a proteger. Para determinar si se requiere un SPDA para la estructura en cuestión es necesario comparar Nr con Np Para estructuras convencionales, suele utilizarse como criterio un valor de Np = 1x10 5, esto significa un daño real cada cien mil eventos. Si Nr <Np, no se necesita un SPDA. Nr >Np, se debe instalar un SPDA. Si se debe instalar un SPDA, es necesario determinar el nivel de protección con el cuál debemos proveer a la instalación. Para establecer el nivel de protección debemos calcular la eficiencia del SPDA. Como se indicó antes en la fórmula 8.2 para el cálculo de la eficiencia es: E > 1 Nr Np (8.6) El nivel de protección se determina de la tabla XII.

78 62 TABLA XII: Eficiencia del SPDA de acuerdo al Nivel de Protección seleccionado.[11] Nivel de Protección Eficiencia I 0,98 II 0,95 III 0,9 IV 0, Diseño del sistema de protección contra descargas atmosféricas En el siguiente apartado se verá como influye el nivel de protección escogido en el diseño y escogencia de los componentes del SPDA Sistema de terminación de aire Para diseñar los sistemas de terminación de aire se pueden utilizar los siguientes métodos[12]: Angulo Protector. Esfera Rodante. Método de mallas Ángulo protector Los conductores, mástiles y barras, que forman parte del Sistema de Terminación de Aire, deben ser instalados de forma tal que todas las partes de la edificación que se busca proteger se encuentren incluidas en la superficie generada por los puntos proyectados por los conductores de este sistema respecto a un plano de referencia, con un ángulo a respecto a la vertical en todas las direcciones. El ángulo protector a debe respetar los lineamientos de la Tabla XIII de la norma IEC , donde h es la altura del Sistema de Terminación de Aire con respecto a la superficie a ser protegida. En la figura 20 se observa cómo un punto simple genera un cono y cómo se crea el espacio protegido por los distintos conductores del Sistema de Terminación de Aire. En donde:

79 63 TABLA XIII: Parámetros de acuerdo a los Niveles de Protección seleccionados para el SPDA.[12] Nivel de Protección h=20m h=30m h=45m h=60m I 25 II III IV A : cabeza del captador B : Plano de referencia OC : Radio del área protegida ht : altura del captor sobre el plano de ref. α : ángulo de protección Figura 20: Espacio protegido por el Sistema de Terminación de Aire formado por un solo mástil. En la Tabla XIII se observa también cómo el ángulo a varía con respecto a la altura a la cual se instala el Sistema de Terminación de Aire respecto a la superficie a ser protegida. Es importante resaltar que el método del ángulo protector tiene limitaciones geométricas y no debe aplicarse si la altura h es mayor que el radio R de la esfera rodante (método que se explica a continuación); con lo que queda en evidencia que este método se utiliza preferiblemente para la protección de estructuras simples o zonas pequeñas de edificaciones más grandes Método de la esfera rodante El método de la esfera rodante debe utilizarse para identificar el espacio protegido de la estructura cuando la Tabla XIII excluye la utilización del método del ángulo protector.[12]

80 64 El radio de la esfera se escoge de acuerdo al nivel de protección seleccionado para el SPDA y se observa en la Tabla XIV. TABLA XIV: Radio la esfera de atracción según el nivel de protección.[12] Nivel de Protección Radio de la esfera (m) I 20 II 30 III 45 IV 60 Para determinar el espacio protegido utilizando el método de las esferas rodantes, se sigue el siguiente procedimiento: Se reproducen los objetos a proteger (edificios, estadios deportivos, o instalaciones industriales) y los dispositivos del Sistema de Terminación de Aire previstos en un modelo. Después se construye una esfera, de acuerdo con la escala del modelo, con el radio correspondiente al nivel de protección seleccionado para el SPDA (tal y como se mencionó con anterioridad). El modelo electrogeométrico se basa en considerar que el centro de la esfera se corresponde con la cabeza de la descarga directriz, la cual se ha aproximado tanto a la tierra que la descarga de captación, que se produce desde el objeto puesto a tierra más próximo a ella, da lugar a la unión con la descarga (cabeza ascendente o líder ascendente). La esfera de atracción se hace pasar rodando alrededor de todo el modelo y también en todas las posiciones posibles. Si al hacer esto, la esfera solamente toca los dispositivos del Sistema de Terminación de Aire, ello indica que el objeto se encuentra totalmente situado dentro del espacio de protección. Si no se tocan algunos de estos dispositivos, los mismos pueden considerarse superfluos. Si la esfera, al hacerla girar por encima del modelo, toca el objeto a proteger en algún punto, dicho objeto se encuentra insuficientemente protegido en este punto, y hay que completar la instalación de los elementos de protección contra descargas atmosféricas de forma que la esfera toque solamente éstos. La figura 21 ejemplifica la aplicación del método.

81 65 Figura 21: Aplicación del método de la esfera rodante Método de mallas Se considera que para la protección de superficies planas se puede utilizar una malla si se satisfacen las siguientes condiciones: Los conductores del Sistema de Terminación de Aire se localizan sobre las líneas de los bordes de los techos o azoteas de las edificaciones. Las superficies laterales de la edificación están equipadas con Sistemas de Terminación de Aire para niveles por encima del valor del radio de la esfera rodante correspondiente. Las dimensiones de la cuadrícula de la red de Terminación de Aire no son mayores que las estipuladas por la Tabla XV extraida de la norma IEC La red del Sistema de Terminación de Aire se instala de forma tal que se garantice que la corriente proveniente de la descarga atmosférica siempre encontrará por lo menos dos rutas de metal distintas hacia la tierra del Sistema de Terminación de Tierra y se tiene especial cuidado en no excluir partes de metal pertenecientes a la edificación y que deben ser incluidas dentro del volumen protegido.

82 66 TABLA XV: Dimensiones de la malla según el nivel de protección Nivel de Protección Ancho de la malla (m) I 5 II 10 III 10 IV 20 La figura 22 ejemplifica la aplicación del método. Figura 22: Aplicación del método de mallas. Todo el espacio de la edificación situado por debajo de esta red, puede considerarse como protegido, sin embargo, para edificaciones cuta altura supera los 30 metros, se deben proteger las paredes laterales con elementos de atracción (conductores) dispuestos horizontalmente para prevenir las descargas laterales (a partir de los 30 metros de altura, hay que instalar estos elementos cada 20 metros) Sistema de conductores bajantes La selección del número y posición de los conductores bajantes debe tomar en cuenta el hecho que, si la corriente proveniente de la descarga atmosférica se divide entre varios conductores bajantes, se pueden reducir los riesgos de descargas laterales entre éstos así como también las perturbaciones

83 67 electromagnéticas en el interior de la estructura protegida. En este sentido, los conductores deben colocarse de forma uniforme alrededor del perímetro de la edificación y con una configuración simétrica asegurando una continuación directa de los conductores del Sistema de Terminación de Aire. Es importante destacar que los conductores bajantes deben: Tener los calibres estipulados por la Tabla XVI, extraida de la norma IEC Ser tan cortos como sea posible (para mantener los valores de inductancia bajos). La distancia promedio entre conductores respeta los valores establecidos por la tabla XVII TABLA XVI: Calibre de los conductores bajantes de acuerdo a la norma IEC para todos los niveles de protección Material Calibre del conductor Cu AWG #8 Al AWG #8 Fe AWG #4 TABLA XVII: Distancia Promedio de los conductores bajantes de acuerdo al Nivel de Protección seleccionado para el SPDA. Nivel de Protección Distancia promedio (m) I 10 II 15 III 20 IV Sistema de terminación de tierra Para efectos de las descargas atmosféricas es más importante la forma y las dimensiones del sistema de tierra que los valores específicos de las resistencias de los electrodos; sin embargo, se recomienda un valor de resistencia pequeño para los electrodos, ya que el valor de la resistencia del Sistema de Terminación de Tierra para eventos transitorios (tal como es el caso de las descargas atmosféricas) depende de la configuración geométrica del sistema y de la resistencia de los dichos

84 68 electrodos. Los estándares internacionales (IEEE 142) recomiendan un rango de valores para la resistencia del Sistema de Terminación de Tierra alrededor de los 10 Ω.

85 Capítulo 9 DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL CMDLT 9.1. Resistencia objetivo La resistencia objetivo a lograr con este diseño, siguiendo las recomendaciones presentadas en el capitulo V, debe estar comprendida entre 2 Ω y 5 Ω, lo cual es considerado un valor muy adecuado para este tipo de instalación, debido a la diversidad de cargas y requerimientos de seguridad. La resistencia de puesta a tierra que se desea conseguir estará comprendida entre los siguientes valores. 2Ω < R P AT < 5Ω (9.1) 9.2. Localización El sistema de electrodos de la puesta a tierra se localizará en los jardines adyacentes a la edificación, como se muestra en la figura 23, dichos jardines ocupan un área de aproximadamente 820 m2 distribuidos como se presenta en la figura

86 70 Figura 23: Ubicación propuesta del electrodo de tierra. Figura 24: Dimensiones del área propuesta para la instalación del electrodo.

87 Resistividad del terreno El estudio de la resistividad del terreno, necesario para el diseño y cálculo del sistema de puesta a tierra fue realizado por Joffre Carmona & Asociados. Para la medición de la resistividad se empleo el método Wenner, efectuando un grupo de mediciones para separaciones entre electrodos de medición iguales a 2,5; 5; 10; 15; 20; 25 y 30 metros con el propósito de considerar la variación de la resistividad vs. profundidad del suelo. Los estudios realizados reportan que el área seleccionada presenta dos estratos de terreno de distinta resistividad, los valores de resistividad y espesor de estrato se presentan en la tabla XVIII TABLA XVIII: Estudio de la resistividad del terreno. Resistividad del Resistividad del Espesor del 1er Estrato [Ω.m] 2do Estrato [Ω.m] 1er Estrato (m) 324,24 31,29 2,61 Estas mediciones fueron realizadas en época de lluvia, este aspecto puede haber afectado los valores de resistividad, siendo en realidad un poco más altos. En el anexo A se presenta el informe proporcionado por la empresa encargada de este estudio Resistencia de PAT La resistencia de puesta obtenida en el diseño presenta un valor de 2,885 Ω, lo cual está comprendido satisfactoriamente en el rango pretendido anteriormente en la sección 9.1. Este valor cumple lo requerido por el CEN [2] de 25 Ω como valor máximo de la puesta a tierra de una instalación. El sistema de electrodo queda conformado de la siguiente manera: Electrodo horizontal Geometría: Malla cuadrada. Dimensión: 12m x 12m Área ocupada: 144 m2 Calibre conductor: AWG 1/0, 0.006m de radio.

88 72 Profundidad de la malla: 1m Electrodo vertical Tipo: Jabalina tipo Copperweld. Cantidad: 8 jabalinas. Posicionamiento: Distribución equitativa dentro del anillo interno. Longitud: 3m cada jabalina. Radio: m. En la figura 25 se muestra la configuración del electrodo, las dimensiones y el lugar donde estarán enterraras y unidas las jabalinas, representadas por los puntos negros. Figura 25: Configuración del electrodo de tierra. Las uniones entre conductores y conductores con jabalinas debe realizar empleando soldaduras exotérmicas, para asegurar el buen contacto entre las piezas y así reducir la resistencia de contacto. Una posible selección del electrodo hubiese sido instalar varillas alrededor de la estructura conectadas rígidamente a la estructura metálica de la edificación, pero el difícil acceso a la estructura nos hizo declinar esta opción. Esta solución hubiese arrojado un mejor valor de resistencia de puesta a tierra, ya que el área abarcada sería mucho mayor y garantiza equipotencialidad en toda la estructura.

89 Cálculo de la resistencia de puesta a tierra A continuación se reportan las ecuaciones empleadas para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra. Estas ecuaciones fueron extraídas de la práctica recomendada IEEE [1]. A continuación se muestra la fórmula de Schwarz, la cual es utilizada para el cálculo estimado de la resistencia de puesta a tierra. R 1 es la resistencia de los conductores de la malla. R G = R 1.R 2 R 2 12 R 1 + R R 12 (9.2) R 2 es la resistencia del conjunto de jabalinas R 1 = ( ρ 1 π.l 1 )(ln( 2.l 1 h ) + K 1 ( l 1 A ) K 2 ) (9.3) ρ a R 2 = ( )(ln( 8.l 2 ) K 1 ( l 2 ).( n 1K 2 ) 2 ) (9.4) 2.n.π.l 2 d 2 A R 12 es la resistencia mutua entre los conductores la malla y el conjunto de jabalinas En donde: R 12 = ( ρ a π.l 1 )(ln( 2.l 1 l 2 ) + K 1 ( l 1 A ) K 2 + 1) (9.5) ρ 1 : resistividad vista por los conductores de la malla en la profundidad h <O.m> ρ a : resistividad aparente vista por el conjunto de jabalinas <O.m> H: espesor de la capa superficial del terreno <m> ρ 2 : resistividad del segundo estrato del terreno <O.m> l 1 : longitud de los conductores de la malla <m> l 2 : longitud promedio del grupo de jabalinas h: profundidad de la malla <m> h : altura aparente

90 74 A: área cubierta por la malla de conductores <m2> n: número de jabalinas enterradas en el área A K 1, K 2 : constantes relacionadas a la geometría de la configuración d 1 : diámetro de los conductores de la malla <m> d 2 : diámetro de las jabalinas <m> Para el cálculo de de K1 y K2 empleamos la siguiente fórmula: Para el cálculo de la resistividad aparente vista por la jabalina aplicamos la siguiente fórmula. ρ a = ρ 1.ρ 1.l 2 ρ 2.(H h) + ρ 1.(l 2 + h H) (9.6) Sustituyendo los valores presentados la seccion anterior, los resultados fueron los siguientes: K 1 = 1, 15 K 2 = 4, 58 ρ a = 60, 74 Ω.m R 1 = 13 Ω R 2 = 2, 97 Ω R 12 = 1, 97 Ω La resistencia total de puesta a tierra resultó: R G = 2, 885 Ω Detalles Se consideró usar como electrodo horizontal una malla debido a la naturaleza del terreno, el cual, presenta mucha humedad, por lo cual es un terreno sumamente corrosivo. El electrodo malla provee una protección ante el problema de la corrosión, ya que asegura continuidad en toda la malla por si algún conductor es comido por la corrosión. Todas uniones entre las jabalinas y los conductores de la malla se realizarán mediante soldaduras exotérmicas, adecuadas a los radios de los componentes nombrados. El electrodo de puesta a tierra se conectará a la instalación a través de la barra maestra colectora

91 75 de tierra (MGB) y de allí se derivará a los distintos niveles de la instalación. Las tuberías metálicas subterráneas, la estructura metálica del edificio (si está accesible), los apantallamientos, deben unirse entre sí y conectarse al sistema de puesta a tierra (SPT) en la barra maestra colectora de tierra MGB. Los ductos, las bandejas para cableado y las cajas para salidas tienen que unirse rígidamente con las barras de tierra correspondientes. Es importante la conexión de todas las tuberías de gas (cualquier naturaleza y propósito) al sistema de puesta a tierra mediante protección catódica, esto mejora la resistencia de puesta a tierra y garantiza equipotencialidad entre la instalación y las tuberías. La grapa de conexión al electrodo del conductor del electrodo de puesta a tierra debe realizarse en el extremo más cercano a la instalación del electrodo, deberán instalarse dentro de un pozo de inspección, con tapa removible, instalado a ras con el suelo natural. El pozo de inspección deberá ser cuadrado con dimensión mínima de 20 centímetros x 20 centímetros (8 pulgadas x 8 pulgadas), o circular con diámetro interno mínimo de 20 centímetros (8 pulgadas), y tendrá una profundidad de 15 centímetros (6 pulgadas). En el anexo C se muestran los detalles de las soldaduras y el pozo de inspección Transformadores El neutro del sistema debe conectarse en uno y solo un punto, en el transformador y antes de cualquier medio de desconexión o dispositivo de protección, tal como lo indica el CEN 250 [2]. Esta conexión se realizará en la barra maestra colectora de tierra (MGB) ubicada en el mismo cuarto. A su vez la carcaza del transformador y de los equipos de protección, el neutro y el cable principal de tierra deben estar puestos a tierra, sin seccionamientos y sin posibilidad de daño. Los transformadores especificados son DY11, este tipo de transformador se caracteriza por aislar eléctricamente el primario del secundario, por lo cual el neutro del secundario (conexión Y) del transformador debe ser puesto a tierra, ya que el circuito conectado al secundario es considerado una fuente aislada y debe tener su propia conexión a tierra en el neutro. El sistema del CMDLT presenta tres transformadores (anexo D), debido a la multiplicidad de circuitos, los cuales son separados unos de otros y no presentan interconexión ninguna, cada

92 76 transformador representa un sistema derivado separadamente por lo cual cada transformador debe ser puesto a tierra de forma independiente cumpliendo con el CEN Celdas Los dispositivos de maniobra deben ser conectados al sistema de puesta a tierra, para ello aprovechamos la forma en que se encuentran posicionadas, un módulo al lado de otro. La conexión a tierra se hará colocando una barra de cobre en el piso, debajo de las celdas, y desde esta barra se derivaran los conductores para cada módulo en específico.[8] La barra de tierra de las celdas deberá conectarse a la barra maestra de tierra, ubicada en el cuarto de transformadores Generadores La transferencia automática se realiza con un interruptor de transferencia de 3 polos. Por lo cuál el neutro del sistema siempre está conectado al sistema de respaldo, por lo que no es considerada una fuente aislada y por ende no se pone a tierra el neutro de la fuente de potencia alterna (generadores), para no ofrecer caminos alternativos a la corriente del neutro[8][13]. En la figura 26 se muestra el esquema de respaldo con el interruptor de transferencia, se evidencia La carcaza del generador será unida a tierra empleando el Terminal correspondiente mediante un cable de cobre de calibre AWG # Quirófanos Se recomienda el uso de suelos conductivos, para controlar las cargas estáticas en estas áreas, drenando a tierra dichas cargas que se producen. Es importante el uso de este tipo de suelo, ya que en este tipo de áreas, en las cuales se emplean agentes anestésicos inflamables, cualquier chispazo producto de las cargas estáticas puedan ocasionar incendios o lesiones al paciente. El suelo del quirófano será de un material conductivo de alta resistencia mecánica para que no sea afectado por cualquier esfuerzo mecánico producido por equipos de alto peso, ruedas de

93 77 Figura 26: Sistema de transferencia del sistema de respaldo. [13]

94 78 las camillas y resistente al corte de algún instrumento afilado. El elemento escogido fue láminas cuadradas de vinilo duro, que reposan sobre una malla de cobre igual al área del quirófano. Este tipo de suelo fue escogido por ser la práctica recomendada por el IEEE en su Standard [13]. especializada en instalaciones eléctricas en lugares de asistencia médica. El suelo a emplear es el tipo Conductile (conductive tile), el cuál consiste en mosaicos de vinilo conductivo y un adhesivo epoxy. El mosaico contiene elementos conductivos de la familia del carbón distribuidos aleatoriamente en el mosaico para proveer conducción a través del mismo. El adhesivo epoxy con el cual se instalan los mosaicos provee conducción lateral entre diferentes mosaicos. Puesto que el Conductile es un material homogéneo con elementos conductivos distribuidos uniformemente en todo su volumen, retiene su conductividad indefinidamente a pesar del desgaste superficial. El desempeño del Conductile no depende de tratamientos superficiales, antiestáticos internos o humedad. La malla será constituida por conductores de cobre desnudo, calibre AWG #8, formando cuadrículas de 20 cm x 20 cm de dimensión. Esta malla será conectada con el sistema de tierra de la instalación mediante un cable 2/0, igualmente de cobre. Las uniones, no necesariamente deben ser mediante soldaduras exotérmicas, pueden emplearse uniones mecánicas o soldaduras normales, siempre y cuando se asegure la fuerte unión entre los conductores. La resistencia del suelo debe ser medida y según el Standard IEEE Std [8] el valor de la misma debe estar comprendido entre Ω y Ω. La norma establece que la resistencia eléctrica debe ser revisada regularmente (1 vez al mes) y cuando ésta supere los Ω se deben tomar las precauciones necesarias para restablecer la resistencia entre los valores establecidos Sistema de protección contra descargas atmosféricas El sistema de pararrayos y el nivel de protección de la edificación se llevo a cabo empleando la normativa europea IEC y la norma venezolana COVENIN [14]. El sistema de protección contra descargas atmosféricas está constituido de la siguiente manera.

95 79 Figura 27: Suelo conductivo para quirófano. Sistema de terminación de aire. Sistema de conductores bajantes. Sistema de terminación de tierra Nivel de Protección El nivel de protección de un sistema de protección ante descargas atmosféricas se determina mediante la eficiencia que se requiera para proteger la estructura. La eficiencia del SPDA se calcula mediante la ecuación 8.2. E > 1 Nr Np (9.7) Como ya sabemos: Nr: Índice de riesgo real de la estructura. Np: Índice de riesgo máximo permitido. Una vez calculado la eficiencia se procede a determinar el nivel de protección. El nivel de protección se selecciona de la tabla XII. La fórmula para el cálculo del índice de riesgo real de la estructura es la siguiente: Nr = Ae.Ng.K,10 5

96 80 El área equivalente de la estructura a proteger se calcula empleando la siguiente fórmula. Ae = LW + 2.L.H + π.h 2 La estructura a proteger presenta una altura de 42 m, un ancho de 40 m y un largo de 47 m, por los que los valores de las variables H, L y W quedan de la siguiente manera: H: Altura = 42m L: Largo = 47m W : Ancho = 40 Sustituyendo las variables en la ecuación para el cálculo del área equivalente, este resulta: Ae = 47,40 + 2,47,42 + π = 11370m 2 La densidad de descargas atmosféricas a tierra, Ng, se calcula de la siguiente manera: Ng = 0, 04.T D 1,25 El número de días de tormenta al año de la zona, se obtiene del mapa isoceráunico presentado en la figura 28. Este valor es aproximado, por lo cual no se asegura su precisión. TD= 40 Figura 28: Mapa Isoceráunico de Venezuela sustituyendo resulta: Ng = 0, 04,40 1,25 Ng = 2, 8

97 81 Basado en las características de la edificación se procede a evaluar los distintos factores, para definir el nivel de protección. K = Ks.C1.C2.C3.C4.C5 Ks = 1, 1 Factor de seguridad C1 = 1, 7 Hospital C2 = 1, 2 Estructura o techo de concreto C3 = 1, 7 Hospital C4 = 1 Ubicada en un sitio con estructuras de igual o menor tamaño. C5 = 1, msnm Sustituyendo, se calcula N r. Nr = 11370,2,8,1, 1,1, 7,1, 2,1, 7,1,1, = 0,158 El resultado de la eficiencia del SPDA fué: E= 0.99 El nivel de protección seleccionado según la tabla XII es el Nivel I Sistema de terminación de aire Según el nivel de protección determinamos que radio de atracción deben tener nuestros dispositivos de terminación de aire. En la tabla XIV se muestran los valores correspondientes al radio de atracción según el nivel de protección. El radio de atracción de nuestros dispositivos será de 20 m. A continuación se muestra la aplicación del método de las esferas rodantes (figura 29), este método nos permite determinar el número de terminaciones de aire necesitadas y su ubicación (figura 30). El sistema de captación del rayo serán puntas Franklin convencionales de acuerdo a la norma COVENIN [14] y no es recomendado el uso de puntas ionizantes por su efecto contaminante sobre el ambiente. Estas deben ser instaladas en un mástil en forma segura por medio de piezas y soportes garantes de la continuidad y sólida fijación.

98 82 Figura 29: Aplicación del método de las esferas rodantes. Figura 30: Ubicación de los pararrayos y el área de protección.