Generalidades. La tierra

Transcripción

1 Generalidades La tierra La tierra se considera como una masa gigantesca con propiedades prácticamente ilimitadas para absorber cantidades de electricidad estática o carga sin cambiar su potencial, es decir, una masa que debido a sus dimensiones tiene muy baja impedancia o muy alta capacitancia. Por lo tanto, la tierra se define normalmente como aquella masa conductiva con tales propiedades eléctricas que el potencial promedio es considerado como igual a cero en cualquier punto. Sin embargo, esta definición involucra una tierra ideal, la cual en la práctica, para zonas delimitas de la superficie de la tierra, se comporta de manera diferente. Debe tenerse mucho cuidado al considerar la tierra a un potencial nulo o cero. Si un punto se define como cero potencial, entonces la aseveración de que un punto cercano está también a cero potencial generalmente es incorrecta. Existen dos propiedades que se considera tiene la tierra bajo el concepto de tierra ideal: la tierra es un receptor o fuente perfecta de corriente y la tierra puede proporcionar un plano equipotencial dentro de una zona delimitada de la superficie de la misma, plano que sirve como referencia ideal para circuitos eléctricos y electrónicos. Estas propiedades sugieren que la diferencia de potencial entre dos puntos en la tierra es cero sin importar el tipo, magnitud y frecuencia de la corriente inyectada a la tierra; concepto que es normalmente violado en la práctica. Pero, cuál es el elemento que evita tener una tierra ideal, desde el punto de vista eléctrico?: la resistividad del suelo, la cual define en forma práctica las propiedades eléctricas de la tierra. De hecho, la tierra es un conductor con propiedades conductivas muy inferiores a las propiedades conductivas de un elemento metálico. Dr. Arturo Galván Diego. 1

2 El sistema de puesta a tierra (SPT) La forma de mejorar las propiedades eléctricas de la tierra como elemento disipador de corrientes anormales que se presentan en un sistema eléctrico conectado a él y obtener un plano lo más equipotencial posible, se logra instalando un sistema de puesta a tierra (SPT), generalmente constituido por conductores enterrados horizontal y verticalmente, en una arreglo que puede ser desde muy sencillo (un solo electrodo de puesta a tierra horizontal o vertical) hasta muy complejo (un arreglo de electrodos de puesta a tierra horizontales y verticales dispuestos de tal forma que formen una malla de puesta a tierra). El SPT se diseña para ofrecer una trayectoria o camino definido a tierra para las corrientes anormales producidas tanto por fuentes hechas por el hombre (fallas a tierra del sistema de potencia o fuentes parásitas que crean interferencia de alta o baja frecuencia) como por fuentes naturales (rayo y fuentes externas de interferencia de baja o alta frecuencia). La tierra es un plano conductivo con valor finito, del orden de 5 a 10-5 S/m, por lo que cualquier inyección de corriente a tierra producirá voltajes dentro y alrededor del sitio donde se inyecta, con el latente riesgo de daño a equipo o riesgo de electrocución a seres vivos. Por lo tanto, la instalación de un sistema o red de puesta a tierra busca mejorar las propiedades eléctricas de disipación de corrientes indeseables a tierra, suministrando tanto una referencia eléctrica para instalaciones eléctricas como la disipación de energía que pueda representar un riesgo de electrocución para los seres vivos. Ahora bien, la conexión a tierra de instalaciones eléctricas para efecto de seguridad de personal se basa en un principio básico: Las diferencias de potencial generados al momento de la inyección de corriente anómala entre las partes conductivas de la instalación eléctrica y la tierra deben ser reducidas a valores seguros. Voltajes excesivos pueden producir el rompimiento de material dieléctrico (ya sea aire o materiales sólidos) o, al cerrarse un circuito eléctrico vía elementos metálicos o a través del cuerpo de una persona, corrientes peligrosas que pueden producir daño a componentes eléctricos y/o electrónicos y riesgo de electrocución en personas. Dr. Arturo Galván Diego. 2

3 Los objetivos básicos que se persiguen con el uso de un SPT son los siguientes: Ofrecer una trayectoria de drenado para los elementos metálicos no energizados de los equipos a través de la masa de tierra, cuando se ven expuestos a tensiones o corrientes anómalas o acumulación de cargas electrostáticas. Permitir el flujo de corriente en el caso de una falla tierra con el objeto de que el equipo de protección opere correctamente y pueda aislar la falla. Evitar el desplazamiento del voltaje suministrado por la fuente con el fin de garantizar la correcta operación del equipo alimentado. Suministrar una superficie equipotencial con el objeto de evitar o minimizar diferencias de potencial que puedan ser fuentes de corriente indeseables y que puedan afectar el equipo electrónico sensible. El primer objetivo se refiere a la seguridad del personal, animales y propiedades. Para el caso de personas y animales, el objetivo es minimizar las corrientes que puedan circular a través de su cuerpo cuando éste entra en contacto accidental o incidentalmente con alguna estructura metálica que presenta impresa una tensión con respecto a tierra. El segundo se refiere a la seguridad del sistema eléctrico y sus equipos asociados. El tercero se refiere al control de los voltajes de alimentación al nivel de tablero general que alimenta los equipos eléctricos y electrónicos. El cuarto se relaciona con problemas de interferencia electromagnética y la correcta operación de equipo electrónico sensible. Es importante establecer que existen sistemas tales como aeroplanos, radios portátiles, satélites, barcos, globos aerostáticos, submarinos y plataformas marinas, entre otros, en donde la tierra no tiene el mismo papel que lo tiene para los casos de sistemas instalados en el ámbito de tierra; de hecho es absurdo pensar en una conexión a tierra. En estos casos, el chasis o estructura del artefacto constituye el plano equipotencial a ser considerado. En resumen, un sistema o red de puesta a tierra debe ofrecer una trayectoria segura para disipar corrientes anormales y reducir voltajes peligrosos a niveles seguros, tanto para el personal y animales como para el equipo eléctrico o electrónico sensible. Dr. Arturo Galván Diego. 3

4 Recomendaciones para el diseño e instalación de un sistema de puesta a tierra Existen guías, recomendaciones y criterios de cálculo para diseñar una red de puesta a tierra y la puesta a tierra de equipo. Estos criterios varían en su objetivo y van desde obtener un pre-determinado valor de resistencia de conexión a tierra hasta la obtención de una superficie equipotencial. Estas guías o recomendaciones pueden encontrarse en normas reconocidas internacionalmente, como las siguientes: Subestaciones de Potencia: IEEE Std 80, IEEE Std 81, IEEE Std 81.2 Sistemas de distribución y plantas industriales: IEEE Std 141 Sistemas industriales y comerciales: IEEE Std 142 Equipo electrónico: IEEE Std1100 Sistemas de instrumentación y control: IEEE Std 1050 Control automático y supervisión de datos: IEEE Std C37.1 Tensiones transitorias en bajo voltaje: IEEE C62.41 Protección contra tormentas eléctricas: IEC Líneas de telecomunicaciones en conductores metálicos: IEC Protección contra impulsos electromagnéticos: IEC 1312 Protección con apartarrayos para sistemas >1kV: IEC C62.11 Compatibilidad electromagnética: IEC Control de Interferencia Electromagnética: MIL-STD-461E Puesta a tierra para equipo electrónico: MIL-HDBK-419a Protección de quipo electrónico contra rayo: FAA-STD-019d Protección contra rayo: BS 6651 Protección contra rayo: AS 1764 Protección contra rayo: NFPA 780 Código de seguridad en instalaciones eléctricas: NFPA 70 Estas guías o recomendaciones han sido elaboradas con la experiencia adquirida durante muchos años y se han validado con el beneficio obtenido a través de una correcta operación de los equipos eléctrico y electrónico sensibles y en la minimización del riesgo de electrocución para las personas y animales. Dr. Arturo Galván Diego. 4

5 Redes de puesta a tierra basadas en la aplicación de nuevas tecnologías Periódicamente surgen productos que pregonan cambios revolucionarios en la tecnología de los sistemas de puesta a tierra, sin embargo cuando dichos productos violan los principios establecidos en las normas internacionales; Normas que acumulan la experiencia y el consenso de expertos tanto teóricos como prácticos en el ámbito mundial, siempre se demuestra que las tecnologías novedosas que pregonan propiedades extraordinarias, con conceptos sui generis no demostrables con las leyes básicas del electromagnetismo, terminan en grandes fiascos con el consiguiente costo en inversiones improductivas y riesgo innecesario de accidentes que involucran tanto a seres vivos como a equipos. Desde el punto de vista económico, el SPT convencional siempre es más barato y más eficiente que los sistemas modificados y en consecuencia si se hace necesario utilizar alguna tecnología complementaría para un SPT, siempre se deberá hacer una evaluación beneficio costo. Solo podrán utilizarse tecnologías que sean congruentes con las normas aprobadas y vigentes tanto nacionales como internacionales que se apliquen. A pesar de que el SPT convencional tiene el inconveniente de depender de las variaciones en las características eléctricas del suelo y de los posibles problemas de corrosión en sus componentes pasivas, la experiencia ha demostrado que una adecuada selección de las partes metálicas en la etapa de diseño tomando en cuenta las características del suelo donde se instala el sistema de puesta a tierra y un buen esquema de mantenimiento una vez puesta en operación, garantiza una correcta operación del sistema de conexión a tierra convencional por muchos años. Dr. Arturo Galván Diego. 5

6 Empleo correcto de la terminología El nombre genérico sistema de puesta a tierra involucra la palabra sistema, que se refiere a los elementos enterrados en el suelo de cierto material, geometría y trayectoria interconectados entre sí; la palabra puesta (también conexión) que se refiere a la facilidad de interconectar las partes de un objeto o equipo al sistema, y la palabra tierra, que se refiere a una sola tierra, ya que no existen diversas tierras como elemento sólido del planeta. Comúnmente se utilizan términos erróneos para referirse a un sistema de puesta a tierra, tales como las tierras, o sistema de tierras. Por otro lado, es muy frecuente confundir las palabras Puesta a Tierrra (Grounding en inglés) y Puesto a tierra (Grounded en inglés). Puesta a tierra se refiere a la conexión a tierra de partes metálicas (gabinetes) que normalmente no conducen corriente eléctrica por medio de un conductor hasta el sistema de puesta a tierra. La palabra Puesto a Tierra se refiere conectar a tierra sistemas o circuitos que normalmente conducen corriente, como los neutros de los sistemas eléctricos. Dr. Arturo Galván Diego. 6

7 Aspectos de seguridad Una red de puesta a tierra con resistencia baja no es segura por sí misma. Durante condiciones anormales, el flujo de corriente a tierra producirá gradientes de potencial que pueden ser de magnitud suficiente para poner en peligro a una persona que se encuentre dentro del área de influencia de la corriente. Asimismo, pueden producirse diferencias de potencial peligrosos entre el equipo conectado a tierra y una tierra cercana. Los aspectos de seguridad involucran aspectos sobre la corriente permisible que debe circular por el cuerpo humano para asegurar la integridad física del mismo. Por lo tanto, es esencial que el sistema de puesta a tierra limite las tensiones de paso y de contacto a valores tolerables indicados en la normatividad aplicable. Los aspectos que deben tomarse en cuenta para realizar el análisis de seguridad de las personas son los siguientes: a) Corriente anómala que circula a tierra en relación al área del sistema de puesta a tierra y su resistencia con respecto a una tierra remota. b) La resistividad del suelo y la distribución de las corrientes de tierra que puedan generar elevados gradientes de potencial en la superficie de la tierra. c) La presencia de personas que puedan puentear dos puntos con diferente potencial eléctrico. d) La ausencia de una suficiente resistencia de contacto para limitar la corriente a través del cuerpo humano y asegurar su integridad física. e) Duración de la falla y duración del contacto de la persona con el elemento fallado que pueda causarle daño. Dr. Arturo Galván Diego. 7

8 Sistemas de Alta Calidad Un sistema de puesta a tierra de alta calidad eleva la confiabilidad del sistema eléctrico, reduce costos de mantenimiento y genera ahorro de tiempo y recursos. Para mucha gente, el instalar un sistema convencional o estándar de puesta a tierra consiste de dos electrodos de puesta a tierra enterrados y LISTO!! Sin embargo, esto es inadecuado para las necesidades de hoy en día, principalmente para instalaciones grandes de alta potencia. Los requerimientos para los niveles de resistencia de puesta a tierra son más precisos debido a las tensiones cada vez más bajas y velocidades más elevadas de operación de la electrónica moderna. Por ejemplo, la industria de las telecomunicaciones requiere una resistencia de puesta a tierra menor que 5 Ω, el cual representa menos de la mitad de la resistencia exigida hace algunos años. Las especificaciones varían según las industrias involucradas, llegando incluso a exigirse (por ejemplo fabricantes de equipo de procesos y equipo para aplicaciones médicas) hasta 3 Ω de resistencia de puesta a tierra. Inclusive, se han visto requerimientos de menor de 1 Ω en algunas especificaciones de instalación y de servicio. Sin embargo, un sistema de alta calidad es mucho más que lograr una baja resistencia de puesta a tierra. Un sistema de puesta a tierra de alta calidad ofrece un comportamiento predecible, de largo tiempo y estable climáticamente, y por supuesto, la facilidad de realizar actividades de prueba y mantenimiento. Las actividades de prueba son importantísimas, porque el sistema de puesta a tierra se degrada, ocasionando daño en sus componentes, los cuales no son fácilmente identificables, hasta que ocurre un evento catastrófico. La única manera de lograr un sistema de puesta a tierra de alta calidad es diseñarlo y optimizarlo con bases de ingeniería. Esto permite lograr los objetivos deseados sin elevar el costo innecesariamente. En otras palabras: El diseño y la optimización con bases de ingeniería permiten obtener lo que uno desea al precio justo. Dr. Arturo Galván Diego. 8

9 Inicio de proyecto: Resistividad del suelo Las características eléctricas del suelo juegan un papel muy importante en el comportamiento y costo del sistema de puesta a tierra. Datos confiables del suelo permiten predecir resultados y diseñar con precisión. El tipo de suelo, humedad, contenido electrolítico y temperatura afectan la resistividad del suelo. La profundidad de congelamiento, el nivel freático, capas de roca y espacio físico disponible determinan el diseño específico requerido del sistema de puesta a tierra. La determinación de la resistividad del suelo puede realizarse por medio de los siguientes dos procedimientos: 1) Mediciones eléctricas en campo, utilizando el método más popular que es el método de Wenner o de los cuatro electrodos. 2) Análisis de muestras específicas del suelo Desde el punto de vista eléctrico, el método o procedimiento más común y práctico es el método de Wenner o de los cuatro electrodos. La ventaja principal de este método es su simplicidad y precisión, sin necesidad de monitorear directamente profundidades considerables que representan un elevado costo y tiempo de inversión. Dr. Arturo Galván Diego. 9

10 Proceso de diseño y optimización El proceso de diseño y optimización debe ser realizado por un especialista en la materia, considerando los límites de área disponible, costo, equipo a ser protegido y personal involucrado. Además, es necesario utilizar los conceptos básicos y herramientas tanto analíticas como computacionales para modelar el sistema de puesta a tierra, tomando como base datos confiables de la resistividad del suelo, objetivo del diseño y otros factores. El objetivo del diseño representa el corazón del modelo. Existen diferencias sustanciales cuando se pretende modelar un sistema de puesta a tierra para una subestación eléctrica, una planta o central eléctrica, una línea de transmisión, una línea de distribución, un sistema de telecomunicaciones o un sistema contra tormentas eléctricas. Cada sistema requiere satisfacer necesidades puntuales, que deberán ser incluidas en el modelo y eliminadas aquellas innecesarias que únicamente podrían elevar el costo del sistema de puesta tierra sin necesariamente aumentar la confiabilidad del sistema. Una vez obtenido el modelo, que obviamente cumple con las especificaciones técnicas, es necesario realizar un proceso de optimización, el cual representa un equilibrio entre las necesidades técnicas, de seguridad y de costo de la instalación. Este proceso de optimización representa un parámetro económico importante para el usuario. Un aspecto importante en el diseño lo representa la información escrita y planos correspondientes, ya que deben indicarse claramente los criterios utilizados, las normas consultadas, la especificación de los materiales, la configuración del sistema, cantidad y localización de electrodos, registros, empalmes, barras de unión, espaciamientos, etc. Cuando la resistividad del suelo es tan alta que obtener una resistencia de puesta a tierra baja representa una tarea imposible, la unión equipotencial llega a ser el parámetro fundamental del sistema de puesta a tierra, tanto para la seguridad del personal como para la seguridad e integridad del equipo a proteger. Dr. Arturo Galván Diego. 10

11 Selección de electrodos y configuración de la red Existen diversos tipos de electrodos y cables en el mercado para formar la red de puesta a tierra, desde muy simples y económicos hasta muy caros e innecesarios. El diseñador debe tener en mente que el sistema de puesta a tierra debe reunir los siguientes requisitos: bajo costo inicial, productos disponibles en el mercado nacional, productos de alta calidad (y no necesariamente de alto costo), evitar el empleo de productos mágicos, tiempo mínimo de servicio de 20 años, facilidad de inspección y medición, facilidad de mantenimiento. Es muy importante aplicar siempre la siguiente premisa: El sistema de puesta a tierra de alta calidad no debe estar sujeto a la disponibilidad de otros sistemas, tales como los sistemas a base de tubería de agua subterránea o los cimientos metálicos de la instalación, por lo que estos sistemas pueden utilizarse solo como elementos complementarios del sistema de puesta a tierra diseñado e instalado para el propósito específico de diseño. Analizar Artículos y de la NOM-001-SEDE-2005 Deben considerarse elementos adicionales como los electrodos Ufer, platos metálicos enterrados o electrodos compuestos (con rellenos químicos) para mejorar el comportamiento del sistema de puesta a tierra, considerando como objetivo específico disminuir el valor de la resistencia de puesta a tierra del sistema. Para el caso de los rellenos químicos, éstos deben ser electrolíticamente activos, tener un buen manejo de energía, tener estabilidad estacional, alta capacidad de retención de humedad, baja relación de pérdida de humedad, elevada conductividad, ph natural y no ser agresivo contra el ambiente (agentes contaminantes). Además, la composición del relleno químico debe ser tal que su mantenimiento no represente un costo importante de la instalación. Dr. Arturo Galván Diego. 11

12 Unión equipotencial contra aislamiento La unión equipotencial representa un método sumamente importante. Existen todavía prácticas peligrosas en donde se utilizan sistemas de puesta a tierra separadas (no unidas mediante un elemento altamente conductivo) que se encuentran instaladas en una misma instalación. Esta práctica genera diferencias de potencial peligrosos que ponen en riesgo tanto al personal como al equipo a proteger. El mito de los sistemas de puesta a tierra aislados en una instalación con una o más fuentes de alimentación eléctrica y en el cual se comparten líneas de señales eléctricas como un requerimiento de seguridad y eliminación de ruido eléctrico violenta los conceptos básicos y las normas vigentes aplicables. La unión equipotencial elimina cualquier posibilidad de diferencias de potencial que puedan generar arcos eléctricos o corrientes indeseables, cuando dicha diferencia de potencial encuentra un circuito cerrado. La electricidad siempre busca regresar a su fuente, por lo que una omisión de la unión equipotencial, puede producir una condición de elevadas tensiones, generando que la corriente intente regresar a su fuente, no importante si lo hace a través de un conductor o a través del vencimiento de un dieléctrico, sea éste cual fuere. Aún cuando se tenga la unión equipotencial, si ésta se realiza en forma inadecuada, pueden formarse lazos cerrados peligrosos por donde circulará la corriente indeseable (que no pertenece al sistema) con el consecuente problema de corrientes circulante, ruido eléctrico y un impredecible e inestable sistema de puesta a tierra. Analizar Artículo de la NOM-001-SEDE-2005 Debe recordarse que una corriente indeseable y letal no distingue entre un equipo y una persona. Dr. Arturo Galván Diego. 12

13 Pruebas y mantenimiento Independientemente del diseño del sistema de puesta a tierra, la medición de la resistencia de puesta a tierra es un procedimiento estándar para los propietarios de la instalación o el equipo en servicio. La verificación de la resistencia de puesta a tierra inmediatamente después de la instalación del sistema debe constituir una parte fundamental del proyecto y de los programas de mantenimiento. Las actividades de pruebas y mantenimiento validan y soportan el esfuerzo realizado en la etapa de diseño, proveen una evidencia escrita necesaria para obtener la garantía de los proveedores o fabricantes y establece una línea base para las futuras evaluaciones del sistema. La continua supervisión ayuda a identificar los problemas de daño a conductores que pueden poner en peligro la confiabilidad del sistema de puesta a tierra. Debe recordarse lo siguiente: El sistema de puesta a tierra será tan bueno como el esfuerzo puesto en su concepción, mediciones, diseño, optimización, pruebas y mantenimiento. El sistema de puesta a tierra de alta calidad podrá mantenerse en ese estado mientras exista una supervisión y dedicación excelente por parte del responsable. El propósito del código NEC 2005 (National Electrical Code) de Estados Unidos y ampliamente utilizado en México mediante la NOM-001-SEDE-2005 es establecer los requerimientos mínimos de seguridad NO DE OPERACIÓN. El NEC 2005 art (Articulo de la NOM-001-SEDE-2005) requiere de 25 Ω o menor como un valor mínimo estándar de seguridad, el cual representa un valor muy elevado para las exigencias del equipo electrónico sensible. El art del NEC 2005 requiere que cada sistema de puesta a tierra sea permanente y eléctricamente continuo, capaz de soportar en forma segura la corriente máxima de falla suministrando al mismo tiempo una trayectoria de baja impedancia. Un sistema de puesta a tierra de Alta Calidad no debe cumplir simplemente los requerimientos del NEC o de cualquier otra guía aplicable, sino que los debe exceder, y por mucho. Dr. Arturo Galván Diego. 13

14 Sistema de Puesta a Tierra en Subestaciones de c.a. El tratamiento para el sistema de puesta a tierra en subestaciones eléctricas es similar cuando ellas están ubicadas ya sea en un sistema de distribución, de transmisión o de generación de energía eléctrica. Generalmente, el objetivo primario para este tipo de instalaciones lo constituye el aspecto de seguridad, debido a las elevadas corrientes que pueden generarse ante una eventual falla del sistema. Por lo tanto, los aspectos que deben analizarse en este tipo de estudios son los siguientes: 1) Límites para las tensiones de paso y de contacto que puedan afectar al ser humano o a seres vivos en general. Con esto se pretende asegurar que la persona en la vecindad del sistema de puesta a tierra no estará expuesta a condiciones de electrocución o daño que pueda poner en riesgo su vida. 2) Suministrar los medios para conducir las corrientes anómalas a tierra bajo condiciones normales y de falla sin exceder los límites de operación del sistema y del equipo involucrado que puedan afectar la continuidad del servicio En forma práctica, los controles que deben existir para garantizar la seguridad del sistema de puesta a tierra deben realizarse en los siguientes elementos: 1) La puesta a tierra intencional, que consiste de los electrodos y conductores enterrados a una cierta profundidad. 2) La puesta a tierra accidental, temporalmente establecida por una persona expuesta al gradiente de potencial en la vecindad del sistema de puesta a tierra. Nuevamente, aquí es importante indicar que el concepto de que cualquier electrodo enterrado constituye un sistema de puesta a tierra de alta calidad resulta ser una práctica peligrosa, siendo la causante de pérdidas humanas, ya que una baja resistencia de puesta a tierra no garantiza, por sí sola, ser un medio de seguridad. No existe una simple relación entre la resistencia de puesta a tierra del sistema y la corriente máxima a la cual la persona puede estar expuesta. Por lo tanto, una subestación con una elevada resistencia de puesta a tierra y con un diseño adecuado y optimizado puede ser más segura que otra con un valor menor de resistencia pero con un diseño inadecuado. Dr. Arturo Galván Diego. 14

15 Sistema de puesta a tierra en Estaciones/Instalaciones/Plantas Industriales Una Estación/Instalación/Planta de Generación o Industrial es una instalación compleja, donde se tiene equipo diverso, tales como: equipo y elementos de alta tensión, torres de transmisión, subestaciones eléctricas, cuarto de máquinas, Fuentes de emergencia, área de interruptores, equipo electrónico sensible confinado en cuartos de control y estructuras metálicas inherentes a la instalación. Cada una de ellas necesita una red específica de puesta a tierra, ya que las necesidades son diferentes. El diseño debe empezar por las mediciones de resistividad del terreno para poder determinar las características del sistema de puesta a tierra. Generalmente, para centrales muy grandes, se recomienda que el valor de la resistencia de puesta a tierra no exceda los 0.5 Ω. Sin embargo, si la central no es muy grande (1500 kw) el valor puede ser hasta de 1.0 Ω., considerando la conexión en paralelo de las diferentes redes de puesta a tierra en las áreas de interés. Es importante considerar que la profundidad de los electrodos y conductores de puesta a tierra alcancen niveles húmedos permanentes, siempre que sea posible. Nuevamente, la calidad de los materiales reviste una gran importancia para asegurar un mayor tiempo de servicio. Para tal efecto, debe considerarse el área cerca de la cortina (generalmente húmeda) para colocar una o dos redes de puesta a tierra, la cual puede ser usada para la puesta a tierra del equipo ubicado en la cortina y ser un punto de conexión para la red de puesta a tierra de la casa de máquinas. Las uniones entre redes de puesta a tierra deben estar interconectadas por medio de dos conductores de unión, uno en cada extremo de la red, con el fin de garantizar la unión equipotencial, aún cuando uno de ellos sufra una avería o daño, que genere un punto de discontinuidad. Debe seleccionarse cuidadosamente el tamaño del conductor, de acuerdo las siguientes condiciones: (a) debe soportar los esfuerzos mecánicos encontrados durante la etapa de construcción, (b) soportar corrientes de falla sin que sufra daño evidente o latente, (c) No exceder los 50 V de tensión en el cable cuando circule la corriente de falla. Analizar Artículos , , , , , y de la NOM-001-SEDE Debe considerarse en la instalación la disponibilidad y facilidad en las actividades de inspección, pruebas y mantenimiento, con el fin de garantizar que los criterios utilizados en el diseño permanezcan durante el tiempo de servicio del sistema de puesta a tierra. Dr. Arturo Galván Diego. 15

16 Sistema de puesta a tierra en estaciones de generación El diseño de las estaciones de generación eléctrica son complicadas considerando su extensión en áreas abiertas con múltiples edificios y tensiones asociadas, efectos de tierra de infraestructura enterrada, máquinas rotatorias, áreas abiertas extensas, sistemas auxiliares con tensiones múltiples y la necesidad hoy en día de asegurar una tierra limpia cuando se involucran sistemas de control. Por lo tanto, es importante que, a diferencia del tratamiento analítico para las subestaciones eléctricas, el ingeniero diseñador tenga una herramienta para realizar cálculos manuales utilizando principios y criterios universales de los sistemas de puesta a tierra. Los objetivos cuando se diseña un sistema de puesta a tierra para estaciones de generación son: la puesta a tierra del neutro del generador, la puesta a tierra del equipo asociado y la puesta a tierra de seguridad. La puesta a tierra del neutro del generador (sólidamente aterrizado, por medio de una resistencia, etc.) se realiza para obtener la referencia de tierra del sistema eléctrico. Esta conexión se realiza en el punto neutro del generador o transformador. La puesta a tierra del equipo asegura una baja impedancia de retorno para las corrientes por tierra producto de una falla ocurrida entre los conductores vivos y la envoltura metálica del equipo. Si se asegura esta trayectoria de retorno, se asegura también que los dispositivos de protección operarán a tiempo para liberar la falla. La puesta a tierra de seguridad se realiza para proteger al personal de posibles daños. Esta conexión se realiza en aquellas partes donde generalmente no circula corriente, pero con riesgo de llevar corriente ante condiciones anormales. Dr. Arturo Galván Diego. 16

17 Sistema de puesta a tierra en subestaciones Metal Clad Este tipo de subestaciones tiene la característica de estar formada por módulos con el objeto de aislar todos los componentes, tales como instrumentación, bus principal y entradas y salidas. Contiene generalmente todos los controles asociados tales como control, instrumentación, medición, relevadores, protección y dispositivos de regulación. Desde el punto de vista de puesta a tierra, ésta se encuentra incluida en la subestación eléctricamente conectada junto con las estructuras de los módulos en los cuales se encuentran ubicados los dispositivos o equipos primarios. Es necesario que en todos los puntos de conexión entre el bus de tierra y el cuerpo del ensamblaje se retiren todos los aislamientos o recubrimientos no conductivos, tales como pintura, con el objeto de asegurar una continuidad eléctrica. El bus de tierra para cada grupo debe tener facilidades de conexión para otros elementos necesarios dentro o fuera de la subestación. Las conexiones al bus de puesta a tierra deben realizarse de tal manera que no sea necesario abrir el bus de puesta a tierra para retirar alguna conexión hecha en el bus de puesta a tierra. Las conexiones a tierra deben realizarse para todos los elementos que puedan ser retirados (no fijos) para asegurar los marcos y mecanismos correspondientes siguen conectados a tierra hasta que el circuito primario y el elemento removible es colocado a una distancia de seguridad. Cuando se ubiquen envolventes de instrumentación, medición, relevadores y equipo similar, debe asegurarse la correcta conexión a tierra al bus de puesta a tierra. Debe asegurarse la correcta conexión del bus principal de puesta a tierra de la subestación con la red de puesta a tierra, por lo menos en dos puntos diferentes, con el objeto de asegurar continuidad en caso de la pérdida de uno de los conductores de conexión. Dr. Arturo Galván Diego. 17

18 Puesta a tierra de generadores síncronos La puesta a tierra de los generadores síncronos utilizados en la generación de energía eléctrica tiene el objetivo de proteger los elementos constitutivos del mismo para asegurar su integridad física y la continuidad del sistema eléctrico. Existes diversos esquemas de conexión a tierra: 1) Sólidamente aterrizado 2) Aterrizado con baja impedancia 3) Aterrizado con baja resistencia 4) Aterrizaje resonante 5) Aterrizado con alta resistencia 6) Flotado La puesta a tierra con alta resistencia puede realizarse mediante transformadores de distribución o mediante resistencias especiales de conexión de neutro. La puesta a tierra con resistencia a tierra con baja resistencia puede lograrse mediante resistencias conectadas al neutro del generador, así como la puesta a tierra con baja inductancia puede obtenerse mediante un aterrizamiento GFN (Ground Fault Neutralizar). Los tipos de puesta a tierra del neutro del generador tienen un impacto directo en los esquemas adecuados de protección de los generadores, los cuales generalmente están formados por relevadores que monitorean la falla y envían las señales para la apertura del circuito o acción preventiva. Por ejemplo, los esquemas de protección para generadores que utilizan métodos de puesta a tierra ya sea de alta resistencia o resonante, son generalmente sensibles para detectar fallas de fase a tierra en el secundario de los transformadores conectados al generador. Una vez que el esquema de protección detecta una falla que puede producir daño al generador, éste es desconectado del sistema, ya que la premisa es cuidar al generador ante cualquier otra alternativa de operación. Uno de los riesgos de operar el generador con una puesta a tierra de baja impedancia es el daño ocasionado al núcleo, mientras que el riesgo de operarlo con una puesta a tierra de alta impedancia es la posibilidad de una segunda falla. Dr. Arturo Galván Diego. 18

19 Sistema de puesta a tierra en instalaciones de baja tensión (distribución) El sistema de puesta a tierra para sistemas de distribución y circuitos de C.A. en baja tensión tiene cuatro propósitos principales: Protección contra sobre tensiones. El rayo, sobre tensiones transitorias o el contacto no intencional de líneas de alta tensión pueden causar elevaciones de tensión peligrosas en los sistemas de distribución. La puesta a tierra ofrece una trayectoria alterna en el sistema eléctrico del hogar, oficina, trabajo o industria para reducir el daño por tales eventos Referencia para la tensión. Existen muchas fuentes de electricidad. Cada transformador puede considerarse como una fuente separada. Si no existiera una referencia común para todas estas fuentes, sería sumamente difícil calcular las relaciones de tensión entre ellas. La tierra es el elemento más grande que existe en el planeta que puede utilizarse como una superficie o volumen conductivo. Operación de dispositivos de protección. La puesta a tierra proporciona una trayectoria de retorno de baja impedancia a la fuente para las corrientes de falla. Seguridad de las personas. Esta es la principal razón para la puesta a tierra en redes de distribución y circuitos de baja tensión. Cuando todas las partes metálicas de los equipos eléctricos están conectados a tierra y el aislamiento interno del equipo falla, no se presentan tensiones peligrosas en la envolvente del equipo. Cuando esto sucede (el conductor energizado toca la envolvente del equipo) el circuito eléctrico está efectivamente cortocircuitado y los fusibles operan inmediatamente, eliminando las tensiones peligrosas. Independientemente del uso que se le asigne al sistema de puesta a tierra, NUNCA debe comprometerse la seguridad de las personas. Dr. Arturo Galván Diego. 19

20 Sistema de puesta a tierra cuartos de control y computadoras La conexión a tierra ha tenido en la práctica diversos enfoques, siendo el principal la seguridad, pero siguiendo a ésta la función de protección a los equipos e instalaciones, y finalmente la cuestión de funcionalidad de los equipos. Todas estas funciones no siempre son exigidas por las necesidades de una instalación, pero generalmente los sistemas eléctricos interactúan con otros sistemas para lograr un sistema total, de esta manera deben tomarse en cuenta las características de cada subsistema para que éstos sean compatibles. Entre los subsistemas de conexión a tierra figuran principalmente: 1) el de seguridad de las personas, 2) el de protección contra descargas, 3) el de referencia para señal y 4) el subsistema de electrodos. Cada uno de ellos impone ciertas características al diseño del sistema de conexión a tierra, por lo que es necesario coordinar cada una de éstas características en la integración de un sistema de conexión a tierra total. La división de un sistema de puesta a tierra en subsistemas funcionales es necesaria para propósitos de análisis y estudio, sin embargo en el momento de diseño debe haber una integración de los diferentes subsistemas con sus respectivas características. Es por eso que es necesario el análisis que permita conocer estas características y hallar su compatibilidad. Por ejemplo, el subsistema de conexión a tierra de seguridad sólo requiere que los equipos y partes metálicas sean puestos a tierra para evitar potenciales peligrosos y circulación de corrientes a través del cuerpo. Mientras que el subsistema de referencia para señal requiere cumplir con los requisitos del subsistema anterior pero además debe buscarse un esquema que evite la propagación de interferencia. En este caso parece haber conflictos entre un subsistema y otro debido a que generalmente en el subsistema de seguridad no se toman en cuenta los criterios para evitar interferencia de señales, lo cual conduce en la mayoría de los casos a hacer modificaciones que hacen inseguros los sistemas de puesta a tierra existentes, a cambio de hacerlos funcionales, es decir, libres de interferencia. Uno de los problemas principales que se analiza en este capítulo es el uso de las tierras separadas o uso de electrodos independientes no interconectados. Esta práctica inadecuada es la que da origen a la necesidad de un sistema integral de conexión a tierra. Cuestión de Calidad de la Energía? El término Calidad de la Energía significa diferentes cosas para diferentes personas. Una definición es la relativa a la frecuencia y severidad de las desviaciones en el suministro de energía eléctrica que alimenta a las computadoras y procesos basados en computadoras, generalmente en la forma de onda de la tensión a 60 Hz, que puedan causar problemas de seguridad y operación confiable. Dr. Arturo Galván Diego. 20

21 La gran mayoría de los problemas de Calidad de la Energía en un edificio o instalación se originan en el mismo edificio. Instituciones como la IEEE y otras han publicado Guías y Recomendaciones con el objeto de REDUCIR, si no eliminar, la incidencia y severidad de los problemas relacionados con la Calidad de la Energía. En muchos casos, puede prevenirse el problema mejorando el sistema de alambrado y el sistema de puesta a tierra. De acuerdo con el EPRI (Electrical Power Research Institute) el problema de la Calidad de la Energía puede estar relacionado hasta en un 80% con prácticas inadecuadas de alambrado o puesta a tierra. Técnicas de reducción de Armónicos 1. Neutros de doble tamaño o neutros separados por fase. 2. Transformadores de aislamientos con blindaje. 3. Filtros de Armónicos. 4. Transformadores con factor K. 5. Interruptores y Páneles para condiciones Armónicas. Técnicas para el alambrado. A) Utilizar circuitos separados para la red de computadoras. B) Se recomienda conectar de tres a seis tomacorrientes por cada circuito, en vez de doce como se indica en la Normatividad. C) Encerrar el alambrado en conduit, ofreciendo así blindaje a señales de RF. D) Utilizar circuito aislado de tierra, independientemente del material del conduit. E) Se recomienda permitir un 1% máximo de caída de tensión en el circuito derivado que alimenta cargas sensibles. F) Utilizar materiales adecuados. Técnica de Puesta a Tierra A) Todos los encerramiento, envolventes, conductores de tierra de equipo y del electrodo de puesta a tierra deben unirse en un solo punto y éste al sistema de puesta a tierra. Debe incluirse el acero estructural o de refuerzo de la instalación. B) Utilizar trayectorias aisladas para el conductor de puesta a tierra, reduciendo así la posibilidad de generar ruido eléctrico. C) Utilizar un arreglo en anillo (encerrando la periferia del edificio) para la red de puesta a tierra, en lugar de arreglos sencillos de uno o más electrodos en paralelo, como lo recomienda el artículo de la NOM-001-SEDE D) Para el caso de electrodos verticales en paralelo, la distancia de separación entre ellos debe ser dos veces la longitud de enterramiento. Los problemas de Calidad de la Energía pueden evitarse completamente cuando se construyen edificios nuevos mediante el diseño cuidadoso del alambrado eléctrico y la puesta a tierra del sistema. Dr. Arturo Galván Diego. 21

22 Puesta a tierra Radial Sistema Aislado de Puesta a Tierra Técnica del Halo para la Puesta a Tierra Dr. Arturo Galván Diego. 22

23 Sistema de puesta a tierra para la protección contra tormentas eléctricas Desde el punto de vista de protección contra tormentas eléctricas debe utilizarse un SPT que minimice los potenciales de paso y contacto para reducir riesgos de electrocución y la formación de arcos laterales entre partes metálicas que pongan en peligro al personal y al equipo en la trayectoria de los conductores de bajada. El SPT debe integrarse por un arreglo de 3 electrodos por cada conductor de bajada cuando éstos no se interconecten entre sí por medio de un conductor enterrado en arreglo en anillo. Cuando los electrodos de puesta a tierra de los conductores de bajada se interconecten entre sí mediante un conductor enterrado puede utilizarse un arreglo de uno o más electrodos de puesta a tierra. El SPT debe integrar, incluir e interconectar todos los sistemas dentro de la instalación (SPTE, sistemas de energía eléctrica, sistemas de telecomunicaciones, entre otros). Considérese la unión equipotencial. Con el fin de mantener la elevación de potencial del SPT a niveles seguros, se recomienda que el valor de la resistencia de puesta a tierra se mantenga en niveles no mayores que 10 Ω. Este valor de resistencia debe cumplirse para cada arreglo de 3 electrodos por conductor de bajada, cuando éstos no se encuentren interconectados. Los elementos que deben formar un SPT son: - Electrodos de puesta a tierra. - Conductores desnudos para unir los electrodos. - Conexiones soldables. - Registros Analizar Artículos , , , (d), (j), (e)(3), (d) de la NOM-001-SEDE-2005 Analizar contenido de la norma mexicana NMX-J-549-ANCE-2005 Dr. Arturo Galván Diego. 23