Introducción En el diseño y proyecto de las instalaciones destinadas al suministro o utilización de la energía eléctrica, una de las mayores preocupaciones de los ingenieros de diseño ha sido como conectar a tierra los equipos eléctricos de una manera segura y apropiada. El problema existe en todos los campos de la Ingeniería eléctrica, desde las bajas corrientes a tierra de los equipos electrónicos, hasta las altas corrientes a tierra de las grandes subestaciones en extra alta tensión. Todos los objetos metálicos que encierren conductores eléctricos o que probablemente queden energizados por corrientes eléctricas originadas por fallas del sistema eléctrico, descargas electrostáticas o por descargas atmosféricas, deben quedar firmemente conectados a tierra para garantizar la seguridad del personal, reducir la probabilidad de incendios y asegurar la protección de los equipos para lograr su funcionamiento normal. Si los objetos están firmemente conectados a tierra, se facilitará la operación de los dispositivos de sobrecorriente de falla a tierra y se permitirá que las corrientes de retorno provenientes de filtros de interferencia electromagnética y supresores de sobretensiones conectados entre línea y tierra o entre línea y chasis, fluyan de manera adecuada.
Funciones principales de los sistemas de tierra 1. Proveer un medio seguro para proteger al personal en la proximidad de sistemas o equipos conectados a tierra, de los peligros de una descarga eléctrica bajo condiciones de falla. 2. Proveer un medio para disipar las corrientes eléctricas a tierra, sin que se excedan los límites de operación de los equipos. 3. Proporcionar una conexión a tierra para el punto neutro de los equipos que así lo requieran (generadores, transformadores, reactores, etc.). 4. Proporcionar un medio de descarga y desenergización de equipos antes de proceder a tareas de mantenimiento. 5. Facilitar mediante la operación de relevadores y otros dispositivos de protección, la eliminación de fallas a tierra en el sistema.
Componentes básicos de una red de tierras Elementos de la red de tierras: – Conductores – Varillas o electrodos de tierra – Conectores o juntas Conductores. Los conductores empleados en los sistemas de tierra son generalmente cables concéntricos que interconectados forman la red de tierras. Su función también es conectar a tierra los equipos eléctricos del sistema. Materiales. Cobre Cobre estañado Copperweld Acero inoxidable Acero galvanizado Aluminio
Componentes básicos de una red de tierras Varillas o electrodos de tierra. Estos elementos se introducen en el terreno con el objeto de alcanzar zonas más húmedas en el subsuelo y por lo tanto con valores de resistividad eléctrica menores. Materiales: Copperweld Acero inoxidable Acero galvanizado Aluminio La selección del material de las varillas o electrodos dependerá de las características de corrosión que presentan al estar enterrados. El copperweld es el material mas empleado en las varillas de tierra, ya que combina las ventajas del cobre con la alta resistencia mecánica del acero, tiene buena conductividad, resistencia a la corrosión y resistencia mecánica para ser clavada en el terreno. El diámetro y longitud de las varillas se determinará por su resistencia mecánica y por el valor de resistencia eléctrica que presentan al estar enterradas.
Componentes básicos de una red de tierras Conectores o juntas. Son los elementos que además de unir entre si a los conductores que forman la red de tierras, conectan las varillas y electrodos de tierra y los conductores de puesta a tierra de los equipos a dicha red. Tipos. – Conectores a presión Conectores atornillables Conectores de compresión – Conectores soldables Son aquellos que mediante una reacción química exotérmica, el conductor y el conector forman una sola conexión molecular. Por su naturaleza, este tipo de conectores soportan la temperatura de fusión del conductor.
Características de los elementos de una red de tierras Cada elemento de la red de tierras deberá tener las siguientes características: a) Resistencia a la corrosión. Para retardar su deterioro en el ambiente donde se instalen b) Conductividad eléctrica. De tal manera que sustancialmente no contribuya con diferencias de potencial en la red c) Capacidad de conducción de corriente. Suficiente para soportar los esfuerzos térmicos durante las condiciones mas adversas impuestas por la magnitud y duración de las corrientes de falla d) Resistencia mecánica. De tal manera que soporte los esfuerzos electromecánicos y el daño físico.
Disposiciones básicas de las redes de tierras Sistema radial. Este sistema es el más simple para la conexión a tierra de los equipos. Consiste en instalar uno o varios electrodos de tierra a los cuales se conectan los conductores derivados de cada uno de los equipos.
Disposiciones básicas de las redes de tierras Sistema en anillo. El sistema en anillo se obtiene colocando en forma de anillo un conductor de un calibre determinado alrededor de la superficie ocupada por los equipos. A este anillo se conectan las derivaciones para la conexión a tierra de cada uno de los equipos usando un conductor de calibre más delgado. En los vértices del anillo se instalan varillas o electrodos de tierra.
Disposiciones básicas de las redes de tierras Sistema de malla. El sistema de malla consiste, como su nombre lo indica, en un arreglo de conductores perpendiculares e interconectados formando una malla o retícula a la cual se conectan las derivaciones de conexión a tierra de cada uno de los equipos. En las esquinas, en el perímetro, o por toda la malla, se instalan varillas o electrodos de tierra. Este sistema se emplea generalmente en subestaciones de potencia.
Resistencia a tierra de una varilla En un suelo uniforme de resistividad , la resistencia a tierra de una varilla de diámetro d, enterrada una longitud L, esta dada por la ecuación: Donde: R = Resistencia a tierra de la varilla, en Ohms = Resistividad del terreno, en Ohms-metro L = Longitud de la varilla, en metros d = Diámetro de la varilla, en metros Referencia: IEEE Std 142-2007. Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems.
Resistencia a tierra de un grupo de varillas Cuando se conectan en paralelo varias varillas de tierra, el valor de resistencia a tierra que presenta el conjunto es menor que el valor de resistencia a tierra que presenta una sola varilla. Si se conecta a una varilla existente otra varilla en paralelo, el valor de resistencia a tierra de las dos no es la mitad del valor que tenga una de ellas, a menos que se encuentren separadas una distancia igual a varias veces la longitud de una varilla. Una regla práctica es que en los grupos formados por 2 y hasta 24 varillas, éstas queden ubicadas en línea recta, formando un triángulo o un cuadrado o que se ubiquen sobre el perímetro de un circulo y separadas entre si una distancia igual a la longitud de la varilla.
Resistencia a tierra de un grupo de varillas El valor de la resistencia a tierra de un grupo de varillas esta dada por la ecuación: Donde: = Resistencia a tierra del grupo de varillas, en Ohms R = Resistencia a tierra de una sola varilla, en Ohms n = Número de varillas en el grupo F = Factor dado por las normas (ver tabla) Referencia: IEEE Std 142-2007. Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems
Resistencia a tierra de un grupo de varillas Se muestran en la siguiente tabla los valores del factor F de acuerdo con el numero de varillas en el grupo. Referencia: IEEE Std 142-2007. Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems
Puesta a tierra de los sistemas eléctricos y electrónicos Equipos eléctricos en baja tensión. La puesta a tierra de los equipos eléctricos en baja tensión se realiza mediante un sistema en anillo. A este anillo se conectan las barras de tierra de tableros de distribución en BT, gabinetes de equipo eléctrico, tableros de alumbrado, etc. La puesta a tierra de los equipos eléctricos alimentados por estos elementos se realiza mediante conductores aislados o desnudos que se conectan a dichas barras o directamente al sistema en anillo localizado en el área. Debe existir siempre una interconexión entre la red de tierras de los equipos eléctricos y la red de tierras de los sistemas electrónicos. La puesta a tierra de los equipos eléctricos deberá cumplir con los requerimientos de los artículos 250 y 710-7 de la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005. Equipos y sistemas electrónicos. La puesta a tierra de estos equipos puede hacerse con un sistema radial o un sistema en anillo. La función principal de la red de tierra para los equipos y sistemas electrónicos es proporcionar un valor de referencia cero para dichos equipos. Este valor de referencia se obtiene cuando el valor de resistencia a tierra de la red es cercano a cero. Dependiendo de los valores de resistividad del terreno, el sistema radial puede estar formado por una sola varilla de tierra o por un grupo de varillas interconectadas.
Sistemas de tierra – Detalles de instalación
Puesta a tierra de los sistemas electrónicos Esta red de tierras se conecta mediante un cable aislado a una barra de cobre soportada sobre aisladores que se instala en el cuarto donde se ubican los equipos y sistemas. A la barra se le denomina barra de tierra aislada y al sistema se le denomina sistema de tierra aislada. A esta barra se conectan los cables aislados (IG) de la referencia de tierra de los equipos, como se muestra en las figuras 1 y 2. La malla de referencia de señales es un complemento de la red de tierras electrónica y su principal función es evitar la interferencia hacia y desde el área de ubicación de los equipos y sistemas electrónicos. Puede emplearse la estructura metálica del piso falso como malla de referencia de señales o puede fabricarse la malla con cintas de cobre, como se muestra en las figuras 3 y 4.
Equipos y sistemas electrónicos – Puesta a tierra FIGURA 1. EL CONDUCTOR DE TIERRA (AISLADO) PASA A TRAVES DEL TABLERO DE DISTRIBUCIÓN
Equipos y sistemas electrónicos – Puesta a tierra Figura 2. METODO DE ALAMBRADO DEL CONDUCTOR DE TIERRA (AISLADO) CON FUENTE DERIVADA SEPARADA
Equipos y sistemas electrónicos – Puesta a tierra Figura 3. ESTRUCTURA DEL PISO FALSO EMPLEADA COMO MALLA DEREFERENCIA DE SEÑALES
Equipos y sistemas electrónicos – Puesta a tierra Figura 4. MALLA DE REFERENCIA DE SEÑALES FABRICADA CON CINTAS DE COBRE
Bibliografía – Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005 Instalaciones Eléctricas (utilización) – NFPA 70 National Electrical Code 2008 – ANSI / IEEE Std 142 – 2007 IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems – IEEE Std 1100 – 2005 IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment