RED DE PUESTA A TIERRA

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1 SALESIANOS MANUEL LORA TAMAYO RED DE PUESTA A TIERRA Ciclo: Técnico en instalaciones eléctricas y automáticas Autor: Arturo Solís Parra

2 6 Red de puesta a tierra Introducción Elementos de puesta a tierra Toma de tierra Electrodos Línea de enlace con tierra Punto de puesta a tierra Línea principal de tierra Cálculo de puesta a tierra Disposiciones en conexión de tierra de edificios Tensión máxima admisible por el ser humano Condiciones para la instalación de tierra Disposiciones de conexión a tierra en centros de transformación Medidas a vigilar en la tierra de un CT Medida de la resistencia de tierra Método Voltiamperimétrico Método de Resistencia del Bucle de Fallo Tecnicas especiales de unión de puesta a tierra

3 6 Red de puesta a tierra. 6.1 Introducción. Salesianos Manuel Lora Tamayo La puesta a tierra es un sistema de seguridad que se instala en las instalaciones eléctricas, para evitar las descargas de origen estático o las derivaciones originadas por fallo en un conductor activo. El efecto de tierra se basa en el principio que el potencial de tierra vale cero. Cuando aparece un defecto el potencial en contacto con la línea de tierra hace circular la corriente al punto de menor potencial, o sea a tierra. Se define la puesta a tierra como: Unión eléctrica directa, sin fusibles ni protección alguna, de una parte del circuito eléctrico o de una parte conductora no perteneciente al mismo mediante una toma de tierra con un electrodo o grupo de electrodos enterrados en el suelo. El sistema de tierra debe procurar que las tensiones o diferencias de tensión en las partes no activas de nuestra instalación estén por debajo de 24 voltios. Para ello se ejecuta un sistema en paralelo con la instalación de enlace del edificio, encargada de derivar a tierra toda corriente de fuga, derivación, sobretensiones debidas a rayos, etc. En conexiones de neutro tipo TT, la red de tierra permite la circulación de corrientes de que puedan aparecer en la instalación y si ésta se combina con la protección diferencial, asegura la protección del las personas y animales contra contactos indirectos, cerrándose el circuito a través de las masas metálicas de los aparatos y la puesta a neutro de los transformadores. Por último, en la instalación de puesta a tierra se deben cumplir estas dos condiciones: La puesta a tierra tiene que ser buena, refiriéndonos a que debe permitir la circulación de corrientes muy elevadas, como las que aparecen en las descargas atmosféricas (rayos) del orden de 20 a 30 ka, además ha de ser única, puesto que si se instala más de una red de tierra en un mismo edificio, y debido a la variabilidad de la resistencia del terreno, pueden aparecer diferencias de potencial peligrosas entre las distintas tomas. 6.2 Elementos de puesta a tierra. Para realizar la configuración de la puesta a tierra y la selección de los elementos que forman parte de ella se deben tener en cuentas las siguientes indicaciones: El valor de la resistencia de puesta a tierra debe cumplir las normas de la ITC- BT-24 y las demás normas particulares e instrucciones técnicas de las compañías suministradoras. Las corrientes de defecto a tierra y las de fuga deben circular sin peligro. La solidez y resistencia a los agentes debe ser tal que asegure el funcionamiento en las condiciones más desfavorables. Hay que tener en cuenta los posibles defectos de electrólisis que puedan afectar a las partes metálicas de la instalación de tierra. La instalación de puesta a tierra estará constituida por uno o varios electrodos enterrados y por las líneas de tierra que conectan dichos electrodos a los elementos que deben quedar puestos a tierra 3

4 6.2.1 Toma de tierra Se define como toma de tierra al elemento metálico de unión entre el terreno y el circuito de tierra. La toma de tierra se divide a su vez en cuatro elementos fundamentales: Electrodos. Línea de enlace con tierra. Punto de puesta a tierra. Línea principal de tierra Electrodos Se define como electrodo a toda material conductor, generalmente metálico, en contacto perfecto con el terreno, encargando de derivar a tierra todo defecto de origen atmosférico o debido a la instalación eléctrica del edificio al que pertenece. El electrodo utilizado deberá garantizar un buen valor de resistencia (siempre inferior a 20 ohmios) evitando los posibles efectos adversos que originen la presencia de hielo, la perdida de humedad del suelo u otros efectos meteorológicos. Por ello se aconseja que electrodo sea enterrado a una profundidad superior a 0,5 m. Estos electrodos suelen estar construidos en cobre, hierro o acero galvanizado. Es muy común la construcción de picas o planchas de acero con un recubrimiento de cobre, el acero garantiza una mayor resistencia y la capa exterior de cobre mejora la conductividad entre red de tierra y terreno. Podemos destacar los siguientes tipos de electrodos: Placas. Suelen ser electrodos de forma rectangular que permiten una gran superficie de contacto con el terreno. Suelen ser de cobre o hierro galvanizado y su superficie será igual o superior a 0,5 m 2. Los más utilizados se presentan en tamaños de 0,5 x 1 m. o de 1 x 1 m. En la imagen de la derecha se puede apreciar la disposición de una placa conectada a una caja de registro de puesta a tierra 4

5 Picas. Salesianos Manuel Lora Tamayo Barras alargadas con longitudes variables (1; 1,5; 2 m.) siendo las más utilizadas las de 2 metros de longitud, que se clavan en el terreno verticalmente. Pueden estar fabricadas con distintos materiales. Acero galvanizado (25mm diámetro mínimo) Perfiles de acero galvanizado (60mm de lado como mínimo) Barras de cobre o acero recubierto de cobre (19 mm mínimo) Pueden utilizarse varias picas que se pueden conectar en dos disposiciones distintas. En paralelo: una vez introducida una primera pica, se mide su resistencia de paso a tierra. Con el valor obtenido se calcula el número de picas que hay que colocar en paralelo para que el valor de resistencia de paso sea igual al que se ha prefijado. Las picas se sitúan a una distancia de dos veces la longitud enterrada y se unen entre sí mediante cable de cobre desnudo de 35 mm 2. La unión del cable a la pica se realiza mediante soldadura aluminotérmica o grapas de presión inoxidables. En profundidad: Se introducen en el terreno una pica detrás de otra hasta el número que sea necesario para conseguir el valor de resistencia de paso que se desea. Conductores enterrados. Constan de cables o pletinas desnudas enterradas horizontalmente bajo la cimentación de los edificios y en contacto con el terreno. Las más utilizadas son. Cables de cobre macizo o de hilos (35 mm 2 como mínimo) Pletinas de cobre (35 mm 2 de sección y 2 mm espesor como mínimo) o acero galvanizado (95 mm 2 sección) Alambre de acero de 20 mm 2 se sección con una capa externa de cobre de 6 mm. La profundidad a la que debe instalarse será de 0,8 m. con una tolerancia del ±10 % según la NTE siendo necesario en el caso de instalación de cables en paralelo que ambos estén separados entre sí como mínimo 5 m. Las zanjas se rellenarán de materiales que retengan la humedad, como tierras arcillosas, tierra vegetal etc. Nunca con guijarros, cascotes o materiales de desecho. Para mantener su continuidad, si es necesario el conductor se podrá unir a otro tipo de electrodos, como por ejemplo la estructura metálica de pilares y vigas del edificio, mediante soldadura de alto punto de fusión. 5

6 Línea de enlace con tierra. Es la parte de la instalación que une los electrodos, o conjunto de electrodos con los puntos de puesta a tierra. Se utilizarán conductores desnudos o aislados de cobre, siguiendo la norma establecida en el REBT. Cuando aparezca una corriente de derivación a tierra, hay que evitar en el conductor una temperatura próxima a la fusión. También debe protegerse contra este aumento brusco de la temperatura los empalmes y conexión, todo ello para un fallo de dos segundos de tiempo y de acuerdo con las protecciones de la instalación la sección mínima será de 25 mm 2 en conductores de cobre y de 50 mm 2 en conductores de hierro Punto de puesta a tierra. Se denomina punto de puesta a tierra a las piezas y conexiones que situadas fuera del terreno permiten la unión eléctrica entre la puesta a tierra y los conductores que forman parte del circuito de protección. También se encarga de conectar los conductores que permiten unir entre sí varios electrodos de puesta a tierra. Estará constituido por un elemento que permita la conexión y desconexión de la toma de tierra para poder aislarla de la instalación de protección del edificio, y de esta forma realizar la medición correcta del valor de resistencia de tierra. Normalmente los bornes de puesta a tierra se sitúan en los patios de luces de los edificios, cerca de la centralización de contadores, en la base de la estructura metálica de los aparatos elevadores, y en puntos situados en las proximidades de la caja general de protección. Estos bornes se colocarán en el interior de arquetas donde aparezca claramente el indicativo de punto de puesta a tierra mediante su símbolo normalizado Línea principal de tierra. Es el conductor que conecta con el terminal del punto de puesta a tierra y conecta con las derivaciones de las distintas partes que configuran la instalación de protección del edificio. Está formado por un conductor de cobre de 16 mm 2 como mínimo según lo indicado en la ITC-BT-18. La línea principal de tierra podrá discurrir por las mismas canalizaciones que la línea general de alimentación. Se procurará que el recorrido sea lo más corto posible y sin cambios bruscos de dirección. 6

7 6.3 Cálculo de puesta a tierra. Se entiende como cálculo de puesta a tierra al procedimiento por el que se establece el número de elementos (picas, placas o conductores) necesarios para que el valor de tensión de paso y de contacto sea inferior a los valores que se recogen el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión. Estas tensiones serán: 24 V en caso de locales húmedos y muy conductores. 50 V en el resto de los casos Valor de resistencia de paso Placas R = 0,8 ρ a P ρ a resistividad aparente del terreno. P perímetro de la placa. Picas R = ρ a L R T = R 1 n ρ a resistividad aparente del terreno. L longitud de la pica en metros. R 1 resistencia de paso en Ω para una sola pica Conductores enterrados R = 2ρ a L ρ a resistividad aparente del terreno. L longitud de la pica en metros. A título informativo los valores de resistencia de tierra para edificios que garantizan la seguridad de las personas ante una corriente de defecto son los siguientes: Edificios destinados a vivienda, 80 Ω máximo. Edificios que disponen de pararrayos, 15 Ω máximo. Instalaciones eléctricas de máxima seguridad de 2 a 5 Ω. Instalaciones de ordenadores de 1 a 2 Ω. Otro aspecto importante a conocer es la resistividad aparente del terreno. Esta va a variar en función del sustrato del terreno en donde vamos a instalar nuestras picas. La resistencia de tierra puede no permanecer constante en el tiempo ya que factores como un estrato helado pueden hacer que el valor aumente en varios cientos y hasta miles de ohmios en función de la capa de hielo. Otro factor que hace aumentar nuestra resistencia de tierra es la sequedad del terreno variando también las medidas hasta el orden de miles de ohmios. Sin embargo un elevado grado de salinidad en el terreno disminuye la resistencia de forma considerable. 7

8 Existen en la actualidad varios tratamientos que permiten mejorar el valor de resistencia del terreno en el caso de no poder obtener una buena tierra. Nos encontramos con tratamiento de sales, esta se mezcla con la tierra del suelo que al diluirse con la humedad y la lluvia, hace que la resistencia baje. Su duración es de un año aproximadamente. Otro método es la utilización de geles, compuestos por dos sustancias que es arrastrado por el agua de lluvia, su duración es de seis a ocho años. Por último se puede realizar un abono electrolítico a base de sulfato de calcio tratado, muy poco soluble, pero con una alta conductividad. Este abono puede durar hasta 15 años. 6.4 Disposiciones en conexión de tierra de edificios. Cualquier instalación de puesta a tierra en edificio debe cumplir las siguientes prescripciones que garantizan y salvaguardan la seguridad de las personas: Tensión máxima admisible por el ser humano. La instalación de puesta a tierra se diseñará de tal forma que no aparecerá una tensión máxima de contacto aplicada de: U ca = K t n Siendo K=72 y n=1 para tiempos inferiores a 0,9 segundos. K=78,5 y n=0,18 para tiempos superiores a 0,9 e inferiores a 3 segundos. Si bien es cierto que estas formulas son difíciles de concretar, por lo que se utilizaran los valores de tensión de paso y de contacto que se desprenden de las siguientes fórmulas empíricas: Tensión de paso U p = 10K t n 1 + 6ρ s 1000 Tensión de conctacto U c = K t n 1 + 1,5ρ s

9 6.4.2 Condiciones para la instalación de tierra. Se han de tener en cuenta una serie de factores a la hora de diseñar una red de tierra, sabiendo previamente las tensiones máximas de paso y contacto que pueden aparecer en nuestra instalación. Se seguirá el siguiente procedimiento: Investigar las características del suelo. Calcular las corrientes máximas a tierra y el tiempo máximo de eliminación del defecto. Realiza un diseño preliminar de la instalación de tierra. Calcular la resistencia de tierra, las tensiones de paso y de contacto de la instalación. Comprobar las tensiones de paso y contacto y compararlas con las obtenidas en cálculo (deben ser menores) Investigar la posible transferencia de tensión al exterior por tuberías, rejas, blindaje de cables y estudiar su posible reducción o eliminación. Corregir el diseño inicial y establecer el definitivo. En aquellas instalaciones que las medidas de resistencia estén por encima de las calculadas, o si no podemos garantizar una tensión de paso y de contacto inferior al valor máximo calculado para nuestra instalación se optará por la aplicación de medidas de seguridad adicionales que permitan el funcionamiento de nuestra instalación dentro de los márgenes de seguridad para las personas. Hacer inaccesible las zonas peligrosas. Suelos o pavimentos aislantes, (también mandos y pasamanos, así como conductores de tierra en su entrada al terreno) Establecer superficies equipotenciales. En las instalaciones de edificios se deben poner o conectar a tierra todas las partes metálicas con riesgo de ponerse en tensión, esto es: chasis y bastidores de aparatos de maniobra, armarios metálicos, puertas metálicas de locales, vallas y cercas metálicas, columnas, soportes, porticos, blindajes metálicos de cables, tuberías y conductos metálicos, carcasas de transformadores, motores y demás máquinas, aparatos elevadores, antenas. 6.5 Disposiciones de conexión a tierra en centros de transformación. En los centros de transformación es necesario aplicar unas condiciones de puesta a tierra específicas que mejoran el funcionamiento de éste, tanto en los aparatos como en las personas. Debemos destacar las siguientes condiciones: Separación de la tierra de los neutros. Para evitar tensiones peligrosas producidas por fallos en A.T. los neutros de B.T. se deberán conectar a tierra (conexión del secundario en estrella) Aislamiento entre las instalaciones de tierra. Cuando se conectan los neutros de B.T. a una tierra separada de la general del centro se deben cumplir estas prescripciones. Deben ir aisladas entre sí para evitar las tensiones que pueden aparecer entre ambas. 9

10 El conductor de conexión ente el neutro de B.T. del transformador y su electrodo de tierra ha de quedar aislado dentro de la zona de influencia de la tierra general. Las instalaciones de B.T. en el interior del C.T. deben tener, con respecto a tierra, un aislamiento correspondiente a la tensión señalada en el primer punto. En caso de que el aislamiento propio del equipo de B.T, alcance este valor, todos los elementos conductores del mismo (canalizaciones, cuadros, carcasas de aparatos ) se conectarán a tierra general del centro, uniendo solamente los neutros de B.T. a tierra separada. Cuando el equipo de B.T. no presente el aislamiento indicado anteriormente, los elementos conductores (canalizaciones, cuadros, carcasas de aparatos ) se montarán sobre aisladores con nivel de aislamiento correspondiente a la tensión señalada en el primer punto. En este caso, dichos elementos se conectarán a tierra del neutro de B.T., teniendo especial cuidado con las tensiones de contacto que pudieran aparecer. Las líneas de B.T. deben aislantes dentro de la zona de influencia de la tierra general teniendo en cuenta las tensiones señaladas en el primer punto. Cuando las líneas de salida sean en cable aislado con envolventes conductoras, deberá tenerse en cuenta la posible transferencia al exterior de tensiones a través de dichas envolventes Medidas a vigilar en la tierra de un CT. Se deben vigilar en un centro de transformación, a la luz de lo señalado en el apartado anterior, los siguientes puntos en la instalación de tierra. 1) Las tensiones de paso y de contacto aplicada deben estar dentro de los límites admisibles y deberán ser medidas con un voltímetro de resistencia interna de valor Ω. 2) Cada electrodo de medida para simulación de los pies debe tener una superficie de 200 cm 2 y debe ejercer una fuerza contra el suelo de 250 N. 3) Se deben emplear fuentes de alimentación de potencia adecuada pasa simular el defecto, de forma que la corriente inyectada sea suficientemente alta, a fin de evitar que las medidas queden falseadas como consecuencia de corrientes parásitas que circulen por el terreno; se procurará que la corriente inyectada sea del orden del 1% de la corriente para la cual ha sido dimensionada la instalación, y en cualquier caso no inferior a 50 A para centrales y subestaciones y 5 A para C.T. 4) Los cálculos tienen que hacerse suponiendo que existen proporcionalidad para determinar las tensiones posibles máximas. 5) En instalaciones de tercera categoría que responden a configuraciones tipo, como ocurre en la mayoría de los C.T., el órgano territorial competente puede admitir que se omita la realización de las anteriores mediciones, sustituyéndolas por la correspondiente a la resistencia de puesta a tierra. 6.6 Medida de la resistencia de tierra. Para determinar la medida de resistencia del terreno existen varios métodos de cálculo, pero estos siempre van ha depender del equipo que utilicemos para realizar ésta medida. En este apartado veremos dos de los métodos más utilizados en la actualidad, pero siempre es aconsejable familiarizarse con el equipo de medida que el operario posea y seguir estrictamente las indicaciones de empleo y conservación de este. 10

11 6.6.1 Método Voltiamperimétrico. El método más empleado para la medida de resistencia de tierra es tambien denominado como metodo de caida de tensión. En este método se utilizan dos pica auxiliares que se clavan a una determinada distancia del punto de puesta a tierra. El método calcula la tensión entre la pica a medir y la de referencia más cercana y la intensidad con la pica de referencia más alejada. Esta medida se puede realizar con un voltimetro y un amperímetro pero en la práctica éstas medidas las realiza un solo aparato, denominado Telurómetro. que: El principio de funcionamiento del esquema de conexión es la ley de ohm donde se cumplirá R T = U I Método de Resistencia del Bucle de Fallo. La UNE describe un método seguro y fácil para comprobar la resistencia de tierra cuando, en un sistema TT, la ubicación de la instalación (p.ej. en ciudades) no permite clavar las picas auxiliares. Este método consiste en medir la resistencia del bucle de fallo con un medidor de Bucle que, en sistemas TT, permite en la práctica proporcionar el valor de la resistencia de tierra. La impedancia total del bucle de fallo a tierra puede medirse conectando el medidor de bucle a un enchufe. El valor de la impedancia del bucle de fallo a tierra medido representa la suma de la resistencia de la bobina del transformador, conductor de la fase (L3) resistencia del conductor de protección (PE) así como la resistencia del centro transformador y la resistencia de tierra de la instalación. Seleccionando uno de los márgenes de IPCC (Intensidad probable de cortocircuito), es posible también medir la intensidad de fallo a tierra. 11

12 6.7 Tecnicas especiales de unión de puesta a tierra. En el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, en la norma ITC-BT-18 se especifican las condiciones que deben cumplir las conexiones de los conductores que forma la red de puesta a tierra, en especial lo referente a conexiones con masas y parte metálicas. La reglamentación aconseja que las uniones presenten un buen contacto eléctrico. Para ello se deberán utilizar piezas de unión adecuadas que ejerzan una conexión efectiva y en el que la presión esté asegurada. Además se ha de garantizar durabilidad en estas conexiones, fundamentalmente porque muchos de estos elementos se encontrarán enterrados o en lugares de difícil acceso para su revisión o reparación. Para alcanzar estos niveles de durabilidad y garantía de conexión en la actualiza se tiende a realizar las conexiones mediante un tipo especial de soldadura denominada soldadura aluminotérmica. Su utilización se ha generalizado gracias a su punto de fusión elevado, que garantiza una unión firme, su buena conductividad eléctrica y su durabilidad y simplicidad de ejecución. Su fundamento es la reacción química exotérmica que originamos con oxido de cobre aluminio y una fuente de ignición según la siguiente ecuación: 3CuO + 2Al = 3Cu + Al 2 O 3 + calor El calor desprendido de la reacción hace que el cobre del conductor y la pica se fundan y el Al 2 O 3 sobrante, al tener menor densidad, queda en la parte superior de la soldadura. El equipo de soldadura aluminotérmica está compuesto por un molde de grafito especial que nos permite realizar la soldadura de forma contenida y segura, unas tenazas de soporte que permiten mantener cerrado el molde y manipular con seguridad el material, los cartuchos y discos de reacción, que contendrán los componentes necesarios para la reacción, la pistola de ignición necesaria para comenzar la soldadura y los materiales de limpieza (cepillo metálico, brocha y rascador de moldes) encargados de limpiar antes y después de la realización de la soldadura. En la siguiente hoja se puede observar el procedimiento a seguir para la realización de este tipo de soldadura de forma adecuada y segura. 12

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