Resistencias a tierra y de unión equipotencial: su incidencia en la seguridad personal

Introducción

Durante los últimos años se han producido grandes debates y formulado muchas preguntas sobre los requerimientos y métodos de conexión a tierra y unión equipotencial entre los expertos en estos temas. Todos ellos generalmente parten de la supuesta necesidad u obligatoriedad de que las instalaciones de baja tensión dispongan de una red de electrodos de tierra para los sistemas eléctricos, de telecomunicaciones y de protección contra rayo contenidos en las mismas con una resistencia a tierra muy baja.

El presente trabajo presenta una recopilación de fragmentos de diferentes documentos que tratan el asunto y que se considera aportarán luz tanto a diseñadores como instaladores de estos sistemas, que erróneamente continúan abogando por muy bajos valores de resistencia a tierra, quizás confundidos con el concepto de resistencia de unión equipotencial.

Importancias de la conexión a tierra y la unión equipotencial

Conexión a tierra El propósito de la conexión al terreno mediante los electrodos de tierra es bridar una trayectoria para la descarga de los impactos de rayo, evitar los peligros de choque y ayudar en el control del ruido.

Al diseñar la instalación de electrodos de tierra tienen que considerarse todos los requerimientos relativos a la función particular de la instalación y su ambiente, siempre teniendo en cuenta la relación costo-beneficio. El término sistema de puesta a tierra tiene un sentido amplio, o sea, incluye a las redes de protección contra falla del sistema eléctrico, de protección contra rayo, la tierra del edificio o estructura, la tierra de telecomunicaciones, etc.

Unión equipotencial La unión equipotencial es el proceso mediante el cual se establece una trayectoria de baja impedancia para la circulación de la corriente eléctrica entre dos objetos metálicos. En cualquier sistema eléctrico y/o electrónico real, sea una parte de un equipo o toda la instalación, se deben hacer múltiples interconexiones entre los objetos metálicos con los objetivos de:

> Protección de equipos y personas contra los peligros de las descargas de rayo.

> Establecimiento de las trayectorias de retorno de la corriente de falla.

> Establecimiento de referencia de señal para los sistemas de telecomunicaciones.

> Minimización de los potenciales de RF en las carcasas y cubiertas.

> Minimizar los riesgos de choque eléctrico en las personas que surgen como consecuencia de la conexión accidental a la tierra.

> Prevención contra la acumulación de cargas electrostáticas.

Estas interconexiones tienen que hacerse de manera tal que las propiedades mecánicas y eléctricas de las trayectorias estén determinadas fundamentalmente por las partes que se interconectan más que por las uniones de interconexión y además que sean mantenidas durante un largo período de tiempo.

Para la realización de las uniones hay que prestar especial atención a las técnicas y procedimientos establecidos para garantizar buen apriete mecánico, baja impedancia de interconexión entre las partes y alta resistencia a la corrosión. Las uniones deficientes conducen a una serie de peligros y situaciones desfavorables.

1. En las líneas eléctricas de AC: pueden producir una caída de tensión inaceptable en el receptor eléctrico y el calor generado por la corriente de carga a través de la resistencia incrementada de la unión deficiente puede ser suficiente para dañar el aislamiento de los cables. Esto puede conducir a una falla de la línea, iniciar un incendio o ambos.

2. En las líneas de los sistemas de telecomunicaciones: degradan su comportamiento porque provocan un funcionamiento intermitente, decrecimiento de la amplitud de la señal o incremento del ruido. Las conexiones pobres entre los elementos de la red de referencia incrementan la resistencia de las trayectorias de corriente y las tensiones desarrolladas por la circulación de corriente a través de éstas impiden que los puntos de referencia de señal de los equipos estén al mismo potencial.

3. En los sistemas de protección contra rayo: pueden generar varios miles de Volts al circular la alta corriente de una descarga de rayo.

4. En las proximidades de transmisores de RF de alta potencia: pueden producir interferencias particularmente problemáticas como las de modulación cruzada y otros productos de mezcla cuando se radian dos o más señales de alto nivel. Algunos óxidos de metal se comportan como semiconductores (dispositivos no lineales) y producen la mezcla entre las señales incidentes. La interferencia así generada puede acoplarse en los equipos susceptibles más cercanos.

Valores aceptables de resistencia a tierra.

Véase lo que plantean al respecto diversos documentos.

1. "Diseño de Sistemas de Puesta a Tierra". Parte I: Teoría. Prof. Miguel Martínez Lozano. Universidad Simón Bolívar de Venezuela.

2. Department of the Army, TM 5-690. Grounding and Bonding in Command, Control, Communications, Computer, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance (C4ISR) Facilities, 15 February 2002. 3-3. Subsistema de protección contra falla Valores máximos de resistencia a tierra:

Equipos especificados para potencias menores o igual a 500 kVA: 10 Ω

Equipos especificados para potencias entre 500 y 1000 kVA: 5 Ω

Equipos especificados para potencias mayores que 1000 kVA: 3 Ω

Subestaciones no cercadas y equipos de montaje en superficie: 5 Ω

Tierras de arqueta: 10 Ω

3-4. Subsistema de protección contra rayo

Para brindar una protección efectiva, es de suma importancia que exista una trayectoria a tierra de baja impedancia. Este criterio se aplica a todos los componentes y conexiones, desde los captadores hasta los electrodos de tierra.

Una baja impedancia es esencial para que las altas corrientes de rayo circulen por una trayectoria preestablecida en lugar de por trayectorias alternativas como las que ofrecen los materiales de construcción (madera, ladrillo, bloque, piedra u hormigón). Cuando el rayo circula por estas trayectorias de mayor impedancia, pueden producirse grandes daños debido al calor y a las fuerzas mecánicas generadas durante el paso de su corriente. Una trayectoria de baja impedancia reduce, o al menos controla un tanto, las diferencias de potencial entre la celda de tormenta, la tierra y la protección en el punto donde no ocurre el impacto. Aún en las edificaciones hechas de roca sólida, se requiere que exista una buena instalación de puesta a tierra, así como conexiones sólidas entre los componentes del sistema de protección contra rayo y el terreno. Las normas no exigen un valor de resistencia a tierra específico; sin embargo, plantean que debe hacerse el esfuerzo por obtener el valor más bajo posible. Los conductores de bajada desde los captadores hasta la conexión a tierra brindarán esa trayectoria de baja impedancia.

3. IEC 62305: 2006 Lightning Protection Debe tenerse en cuenta que es preferible un instalación de puesta a tierra común para los diferentes aplicaciones (protección contra rayo, de distribución eléctrica de baja tensión y de telecomunicaciones).

Como se asume el cumplimiento de la unión equipotencial sistemática de todos los componentes que participan en el sistema de protección contra rayo, no se requiere un valor específico de resistencia de la instalación de puesta a tierra.

4. Proyecto Final del Reglamento Electrotécnico Cubano.2008, Ed.1.0 Capítulo 4: Distribución en instalaciones de baja tensión 4.2 Esquemas de puesta a tierra 4.2.6 Sistema de puesta a tierra y su medición Para asegurar la dispersión de la corriente del rayo en la tierra sin provocar sobretensiones peligrosas, son más importantes la disposición y las dimensiones del sistema de puesta a tierra que un valor específico de la resistencia de puesta a tierra. Aunque, en general, se recomienda un valor bajo de la resistencia de puesta a tierra.

Desde el punto de vista de la protección contra el rayo, una solución adecuada puede ser un sistema de puesta a tierra único integrado a la edificación y apropiado para todos los fines (por ejemplo, protección contra el rayo, sistemas electroenergéticos a baja tensión y sistemas de telecomunicaciones).

Los sistemas de puesta a tierra deben ser interconectados de forma tal que se garantice una conexión equipotencial en presencia del rayo.

5. NEC-2005: NFPA 70 250.56 Resistencia de electrodo de tierra de tipo varilla Cuando la resistencia de una única varilla de tierra es mayor que 25 Ω, se requiere de un electrodo adicional, y éste tiene que instalarse a no menor de 6 pies de separación.

No se requiere más de dos varillas de tierra, aún si la resistencia total de las dos varillas en paralelo excede los 25 Ω. Aunque no está claramente definido para una localización dada el "valor aceptable", se conoce que mientras más bajo mejor. Para instalaciones comerciales e industriales, pueden no estar dadas las especificaciones del sistema de electrodos de tierra (excepto en conformidad con el NEC) y este aspecto se deja a la definición por parte del instalador del sistema electroenergético, quien tendrá que cumplir únicamente con los requerimientos mínimos aplicables del NEC.

Una razón para desear un sistema de electrodos de tierra de baja resistencia es para reducir la elevación de tensión en el sistema de tierra durante el evento de un rayo. Dicho evento es más probable en un edificio o torre dotado con un LPS. Si la instalación de electrodos de tierra está diseñada para un valor bajo de resistencia y con una capacidad suficiente para la rápida disipación del rayo, la elevación de tensión se reduce sustancialmente y la unión entre sistemas exigida por el NEC se estresa menos. Además, puede mejorar significativamente el comportamiento en la operación de los SPDs al manejar las corrientes del rayo si se garantiza una baja resistencia de conexión a la instalación de electrodos de tierra. Mientras más baja sea esta resistencia, más baja será la tensión que se desarrolla entre el SPD y la tierra remota que el rayo busca. Esta tensión inferior en el SPD reduce el estrés a los equipos conectados aguas abajo.

6. IEEE Std. 1100-2005 (Emerald Book) 4.8.1 Panorámica El tema de puesta a tierra se vuelve muy sencillo si se tienen en mente las funciones de seguridad y referencia que este tiene y se hace la pregunta: "Es la tierra parte del circuito?" Desde el punto de vista de seguridad, la respuesta casi siempre es "si." Para la protección contra rayo, la respuesta es un "si" muy enfático. Para la operación de muchos equipos la respuesta es "no." Por lo tanto, disponer o no una baja impedancia a tierra afecta la operación del sistema cuando el terreno es parte del circuito.

Para facilitar la comprensión del asunto, las instalaciones de puesta a tierra se consideran que se interconectan eléctricamente a tres subsistemas funcionales distintos. Estos son:

a) Subsistema de protección contra falla y seguridad personal.

b) Subsistema de operación de los circuitos de telecomunicaciones, transmisión de datos y señalización.

c) Subsistema de protección contra rayo y sobretensiones Note que para propósitos de protección contra incendios y seguridad contra choques eléctricos, estos subsistemas funcionales de tierra están todos sólidamente interconectados a un sistema común de electrodos de tierra en la sección de entrada de servicio del sitio (SES) de acuerdo a los requerimientos del NEC y la NFPA 780. De acuerdo con el NEC, también pueden involucrarse otros electrodos de tierra con los diferentes subsistemas de tierra (ver IEEE Std. 142™), pero éstos de ninguna manera pueden estar aislados entre si (por ejemplo, mediante aislamiento eléctrico o la resistividad del suelo) ni del electrodo de tierra principal del sitio en el SES.

Todos los sistemas de tierra descritos anteriormente tienen que estar eléctricamente interconectados entre si, mediante el empleo de conductores de tierra, de manera tal que formen un sistema único de electrodos de tierra para el sitio. Si no se garantiza esta unión, los equipos o las personas que estén en conectados deliberada o accidentalmente entre dos sistemas de tierra aislados se podrán exponer a la diferencia de potencial que se desarrolle entre éstos. Dicha diferencia de potencial usualmente es debida a fallas a tierra del sistema de ac o dc, rayos u otras corrientes que puedan producir una caída de tensión IR significativa cuando circulan a través del medio de tierra compartido por ambos—el terreno.

La posibilidad de que se produzcan estas diferencias de tensión existirá aún cuando los electrodos de tierra tengan muy baja resistencia de conexión a tierra, tal como 1 Ω. Por ejemplo, un rayo que se circula por un electrodo con una intensidad conservadora de 20 a 40 kA producirá una elevación del potencial de tierra de 20 a 40 kV entre dos electrodos de tierra con solo 1 Ω de resistencia entre estos (e.g., E = IR). Se trata de un potencial demasiado alto para ser soportado por cualquier sistema de aislamiento a nivel de señal razonablemente construido y, mucho menos, por los componentes de estado sólido de los equipos electrónicos. Por otro lado, se conoce que potenciales tan altos producen arco y ruptura dieléctrica en puntos a lo largo de la trayectoria de corriente y dentro de los equipos, y pueden provocar incendios.

4.8.6 Subsistema de protección contra rayo El subsistema de protección contra rayo por norma no requiere que ofrezca un valor o intervalo particular de impedancia a la corriente de rayo que pueda circular por este. El NEC, NFPA 75 y NFPA 780 no establecen límites de impedancia para el subsistema de electrodos de tierra asociado con el sistema de protección contra rayo. En lugar de una baja resistencia a tierra, en estos reglamentos se prefiere incrementar la cantidad de uniones del sistema de protección contra rayo a otros conductores de tierra dentro del edificio. Esta propuesta conlleva a una reducción de las peligrosas descargas laterales y al uso de más trayectorias de bajada a lo largo del edificio que terminen en el anillo de tierra enterrado.

7. IEEE Std. 142-2005 (Green Book)

4.1 Resistencia a tierra 4.1.2 Valores aceptables recomendados.

Las instalaciones que tienen bajos niveles de corriente de falla a tierra no requieren tan bajos valores de resistencia a tierra como ocurre en los grandes sistemas con altos volares de corriente de falla a tierra. Los valores de resistencia a tierra de menos de 1 Ω se obtienen mediante el uso de una cantidad de electrodos individuales interconectados entre sí. Esta baja resistencia sólo será necesaria para grandes subestaciones, líneas de transmisión o estaciones de generación. Resistencias en el intervalo entre 1 y 5 Ω generalmente son adecuadas para subestaciones y edificios de plantas industriales y para grandes instalaciones comerciales.

El valor de 25 Ω apuntado por el NEC se aplica para la máxima resistencia para un único electrodo artificial. Si se obtiene un valor mayor, se requiere un segundo electrodo conectado en paralelo. Esto no debe interpretarse como que 25 Ω es un nivel satisfactorio para un sistema de conexión a tierra.

8. IEEE Std. 141-1993 (Red Book)

7.5.2 Recommended acceptable values

El sistema de tierra más elaborado que pueda diseñarse puede ser inadecuado a menos que la conexión del sistema a la tierra sea adecuada y de baja resistencia (AIEE Committee Report 1958). La conexión a tierra es uno de las partes más importantes del sistema de tierra. También es la parte más difícil de diseñar y obtener.

La conexión a tierra perfecta tendrá una resistencia cero, pero esta es imposible de obtener.

Resistencias a tierra menores que 1 Ω pueden obtenerse, aunque pueden no ser necesarias. La resistencia que se requiere varía inversamente proporcional con la corriente de falla a tierra. Mientras mayor es la corriente de falla, menor tiene que ser la resistencia.

Para grandes subestaciones y estaciones de generación, la resistencia a tierra no debe exceder 1 Ω. Para pequeñas subestaciones y plantas industriales, en general, debe obtenerse una resistencia inferior a 5 Ω, si es práctico. El artículo 250 del NEC aprueba el uso de un único electrodo artificial, si su resistencia no excede 25 Ω.

9. Earth Ground Resistance. www.fluke.com

What is a good ground resistance value?

Existe mucha confusión sobre lo que constituye una buena tierra y que valor de resistencia a tierra se necesita obtener. Idealmente la red de puesta a tierra debería tener de 0 Ω de resistencia.

No hay valor normalizado de resistencia a tierra que esté reconocido por alguna agencia. Sin embargo, la NFPA y el IEEE han recomendado valores de resistencia a tierra de 5 Ω e inferiores. El NEC ha establecido "Asegurar que la impedancia a tierra del sistema sea inferior a 25 Ω como especifica la cláusula 250.56. En instalaciones con equipos sensibles ésta debe ser de 5 Ω o menos." La industria de las telecomunicaciones ha usado a menudo 5 Ω o menos como su valor para conexión a tierra.

El objetivo de la conexión a tierra es lograr el valor de resistencia más bajo posible que tenga sentido económica y físicamente.

10. AECM Instruments. User Manual

4.1 Ground Resistance Values

Las normas aceptadas de la industria estipulan que las subestaciones de transmisión tienen que ser diseñadas que no excedan 1 Ω. En subestaciones de distribución, la resistencia máxima recomendada es 5 Ω.

En la industria ligera o en las centrales de telecomunicaciones, 5 Ω es un valor aceptado. Para la protección contra rayos, la resistencia a tierra máxima es 10 Ω

11.NOM-001-SEDE-1999

Norma Mexicana sobre las instalaciones eléctricas

921-18. Resistencia a tierra de electrodos. Disposiciones generales. El sistema de tierras debe consistir de uno o más electrodos conectados entre sí. Este sistema debe tener una resistencia a tierra suficientemente baja para minimizar los riesgos al personal en función de la tensión eléctrica de paso y de contacto. Se considera aceptable un valor de 10 Ω; en terrenos con alta resistividad este valor puede llegar a ser hasta de 25 Ω. Si la resistividad es mayor a 3000 Ω.m se permiten 50 Ω, para posibilitar la operación de los dispositivos de protección.

12.Air Force Instruction 32-1065

1 OCTOBER 1998

Civil Engineering

GROUNDING SYSTEMS

14.3. Para la protección contra rayo es deseable pero no obligatorio que la resistencia a tierra sea baja. Para la mayoría de las edificaciones, la resistencia a tierra tiene que ser menor que 25 Ω. Si este valor no puede lograrse con electrodos de tipo varilla, instale un anillo de tierra alrededor del edificio. La configuración de anillo es aceptable aún si su resistencia a tierra es mayor que 25 Ω.

13.MIL-HDBK-1004/6

30 May 1988 Superseding

DM 4.6

1 December 1979

MILITARY HANDBOOK

LIGHTNING PROTECTION

4.2.1 Resistencia a tierra.

La máxima resistencia a tierra para cualquier sistema de protección contra rayo no excederá 10 Ω. En terrenos de alta resistividad o formaciones rocosas, puede ser necesario disponer radiales de tierra, tierras artificiales o pozos de drenaje. Después de la instalación del sistema, ésta se verificará mediante una medición sencilla y directa con instrumento. Cuando se desconozcan las características, se instalarán tierras de prueba y verificarán periódicamente durante el curso de al menos 1 año para contemplar las variaciones estacionales.

14.SEGURIDAD CONTRA RAYOS DEL SIGLO XXI PARA AMBIENTES QUE CONTIENEN ELECTRÓNICA SENSIBLE, EXPLOSIVOS Y SUSTANCIAS VOLÁTILES.

Richard Kithil, President y CEO NLSI – National Lightning Safety Institute 3.4 Puesta a tierra La red de puesta a tierra debe enfocarse hacia el logro tanto de una baja resistencia como de una baja impedancia a tierra así. Un estudio espectral del impulso típico del rayo revela un contenido de bajas y altas frecuencias. Esta red de tierra se comporta frente al impulso de rayo como una línea de transmisión, en donde se aplica la teoría de la propagación de ondas electromagnéticas. Una parte considerable de la corriente del rayo se propaga horizontalmente al impactar sobre tierra: se estima que menos del 15% de esa corriente penetra la tierra. Consecuentemente, valores bajos de la resistencia (25 Ω determinados por el NEC) son menos importantes que las eficiencias volumétricas.

15.Reglamento uruguayo de baja tensión: Junio de 2001

Capítulo XXIII. Puestas a tierra

9.- Resistencia de Tierra.

El electrodo se dimensionará de forma que su resistencia de tierra, no sea superior al valor especificado para esta, en cada caso.

Este valor de resistencia de tierra será tal que cualquier masa no pueda dar lugar a tensiones de contacto superiores a:

– 24 V en local o emplazamiento conductor – 50 V en los demás casos.

Estos valores son para que las corrientes de defecto sean eliminadas en menos de 5 s.

Si las condiciones de la instalación son tales que puedan dar lugar a tensiones de contacto superiores a las valores señalados anteriormente, se asegurará la rápida eliminación de la falta mediante los adecuados dispositivos de corte.

16.Guía Técnica de Aplicación: Protecciones. Instalaciones de Puesta a Tierra.

Guía-BT-18. Edición: Oct 05. Revisión: 1 Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. España

9. Resistencia de las tomas de tierra El electrodo se dimensionará de forma que su resistencia de tierra, en cualquier circunstancia previsible, no sea superior al valor especificado para ella, en cada caso.

Este valor de resistencia de tierra será tal que cualquier masa no pueda dar lugar a tensiones de contacto superiores a:

– 24 V en local o emplazamiento conductor – 50 V en los demás casos 17.IEC 60364. Electrical Installations of buildings Estas tensiones de contacto máximas permisibles por el ser humano son las siguientes:

– 50 V para locales secos – 25 V para locales húmedos – 12 V para locales mojados (por ejemplo: obras en el exterior) Si las condiciones de la instalación son tales que puedan dar lugar a tensiones de contacto superiores a los valores señalados anteriormente, se asegurará la rápida eliminación de la falla mediante dispositivos de corte adecuados a la corriente de servicio.

La resistencia de un electrodo depende de sus dimensiones, de su forma y de la resistividad del terreno en el que se establece. Esta resistividad varía frecuentemente de un punto a otro del terreno y también con la profundidad.

18.Introducción a la seguridad eléctrica en instalaciones hospitalarias.

José Felipe Pomares Orbea.

VII Jornada del CEC, 2005.

Anexo E: Sistema de puesta a tierra.

Más que un valor específico de resistencia de los electrodos de tierra, lo más importante es la forma y las dimensiones de la red de puesta a tierra. No obstante, se deberá cumplir con los valores recomendados.

19.National Electrical Code. 2002 Edition

Section 9. Grounding Methods for Electricity Supply and Communications Facilities

096. Requerimientos de resistencia a tierra Los sistemas de conexión a tierra serán diseñados para minimizar el peligro a las personas y tendrá resistencias a tierra lo suficientemente bajas para permitir la rápida operación de los dispositivos de protección de circuito. Los sistemas de conexión a tierra estarán compuestos por conductores y electrodos de tierra enterrados.

A. Estaciones de suministro Las estaciones de suministro pueden requerir sistemas de tierra de gran extensión conformados por múltiples electrodos de tierra horizontales, verticales o una combinación de ambos. Los sistemas de conexión a tierra se diseñarán para limitar los potenciales de contacto, de paso, de malla y transferido, conforme a las prácticas de la industria.

B. Sistemas de tierra sencillos Los electrodos artificiales individuales, donde sea práctico, tendrán una resistencia a tierra que no exceda 25 Ω. Si la resistencia de un único electrodo excede los 25 Ω, se usarán dos electrodos conectados en paralelo.

20.NFPA-780. 2008 Edition

Standard for the Installation of Lightning Protection Systems B.4.3

Las instalaciones de tierra adecuadamente hechas son esenciales para el correcto funcionamiento de un sistema de protección contra rayos, y tienen que hacerse todos los esfuerzos para lograr un buen contacto con el terreno. Esto no significa necesariamente que la resistencia a tierra tiene que ser baja, sino que la distribución de los electrodos en el terreno, o sobre su superficie en casos extremos, tiene que ser tal que permita la disipación de la corriente del rayo sin daños.

B.4.4 Una baja resistencia a tierra es deseable, pero no primordial, como se muestra en los siguientes casos extremos de edificios que descansan sobre suelos de arcilla húmeda y de roca sólida desnuda.

B.4.4.1 En el primer caso, si el suelo tiene una resistividad promedio entre 40 y 500 Ω.m, mediante la colocación de un electrodo de 3 m se obtendrá una resistencia a tierra entre 15 y 200 Ω y dos de estos electrodos serán suficientes para un pequeño edificio rectangular. En estas condiciones favorables, constituye una manera sencilla y relativamente barata de garantizar la disipación de la energía de la descarga del rayo sin serias posibilidades de daño.

B.4.4.2 En el segundo caso, podría ser imposible lograr una resistencia a tierra baja de manera convencional debido a que la mayoría de los tipos de rocas son aislantes o al menos de alta resistividad y, para obtener una conexión a tierra efectiva se requieren otros medios más elaborados. La manera más efectiva pudiera ser una extensa red de electrodos descansando sobre la superficie rocosa que rodea el edificio a la cual se conectarían los derivadores. La resistencia a tierra de este arreglo pudiera ser alta, pero la distribución de potencial alrededor del edificio sería casi la misma que si el edificio estuviera apoyado en un suelo conductor y el efecto de protección resultante también sería sustancialmente el mismo.

B.4.5 En general, la extensión del arreglo de tierra depende de las características del suelo, variando desde la simple instalación de un electrodo donde el suelo sea profundo y de alta conductividad hasta una compleja red enterrada donde el suelo sea muy seco o de muy pobre conductividad. Donde se requiera de una red, ésta se enterrará si las características del terreno lo permiten, pues aumenta su efectividad. Su extensión estará determinada por el criterio del proyectista de la instalación observando la siguiente regla: Mientras más extensa sean dimensiones de electrodos enterrados más efectiva será la protección.

21.NORMA TECNICA COMOLOMBIANA PATA SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA. CAPÍTULO 9. "DISEÑO"

Valores de resistencia de unión equipotencial:

22.NASA / CR-1998 -207400 Electrical Bonding: A Survey of Requirements, Methods and Specifications R. W. Evans Computer Sciences Corporation, Huntsville, Alabama 3.2 Protección contra choque eléctrico y falla La MIL-B-5087B demanda "menos de 0,1 Ω de resistencia para los conductos metálicos en cada punto de terminación. También exige que la resistencia la conexión desde cada armazón o parte expuesta de los equipos eléctricos y electrónicos hasta la estructura sea menor que 0,1 Ω." La MIL-STD-464 establece " estén provistas la unión de todas las partes eléctricamente conductoras expuestas sometidas a potenciales condiciones de falla para controlar las tensiones de choque y permitir la adecuada operación de los dispositivos de protección de circuito." La MIL-STD-1310G demanda resistencias menores de 0,1 Ω a CC y de 25 Ω a 30 MHz para la conexión todos los equipos eléctricos a la estructura.

23.Norma Empresarial de Sistemas de Protecciones Integrales. ETCSA, 2007.

Requerimientos de resistencia de los conductores de unión a tierra (según dimensionamiento de Odemberg)

24.MIL-HDBK-419

21 January 1982

MILITARY HANDBOOK

GROUNDING, BONDING, AND SHIELDING FOR ELECTRONIC EQUIPMENTS AND FACILITIES VOLUME II: APPLICATIONS

1.13.3 Signal Reference and Fault Protection Subsystems. a. Verificar la existencia de planes equipotenciales.

b. Verificar que el plano equipotencial está unido a los elementos de acero de la estructura principal del edificio.

c. Verificar que los elementos de acero estructural están unidos en sus juntas de manera que posean una baja resistencia de unión (< 1 m?). Son preferibles las uniones soldadas. Las uniones mecánicas tienen que ser adecuadamente limpiadas, apretadas con el torque establecido sean luego aplicadas pinturas selladoras. Realice las mediciones de resistencia de unión en las juntas estructurales con un puente doblemente balanceado.

e. Verificar que los látigos de tierra están unidos al plano equipotencial y que la resistencia de unión no excede 1 m?. Inspeccionar que los látigos de tierra están ubicados de manera tal que ofrecen las longitudes más corta posibles al plano equipotencial.

f. Verificar que existen al menos dos trayectorias eléctricas entre el plano equipotencial y el subsistema de electros de tierra. Preferiblemente el plano tiene que estar unido al acero estructural principal del edificio. Mida la resistencia entre los puntos seleccionados en el plano y el subsistema de electros de tierra, verificando que ésta no excede 5 m?.

g. Inspeccionar la continuidad y unión de todas las tuberías metálicas de conducción.

h. Verificar que todas las estructuras de soporte para electricidad y los bandejas de cable están interconectados y unidos.

i. Inspeccionar la conexión a tierra de los sistemas de distribución eléctrica.

1.13.4 Puentes y Uniones.

a. Además de la inspección de las uniones estructurales, se inspeccionan todas las uniones respecto a su adecuada limpieza, correcto apriete y protección contra la corrosión. Esta particularmente alerta si está conforme a las recomendaciones de las Secciones 1.7.1 y 1.7.3.

b. Realice verificaciones de la resistencia en las uniones seleccionadas. Use el método del puente doblemente balanceado descrita en la Sección 2.2.3.1. Todas las uniones deberán tener una resistencia de 1 m? o menos; aquellas que no lo cumplan tienen que corregirse.

25.NORMA TECNICA COMOLOMBIANA PATA SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA.

CAPÍTULO 9. "MEDICIONES EN UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA"

Seguridad personal

Disponer de una buena conexión a tierra y controlar periódicamente la misma son condiciones muy importantes en toda instalación eléctrica porque, además de disminuir riesgos de destrucción de bienes materiales y asegurar un correcto funcionamiento de la protección contra sobretensiones transitorias, evita la muerte de las personas al exponerse a tensiones de contactos en masas metálicas superiores a las permisibles.

La norma internacional IEC 60479 (Effects of current on human beings and livestock) partes 1 y 2, trata en detalle los efectos de la corriente eléctrica sobre el cuerpo humano. Estos efectos tienen desenlaces fatales dependiendo del valor de la intensidad y el tiempo de duración.

El sistema de puesta a tierra permite establecer un bucle cerrado, y en el caso de que en un cuerpo metálico (conductor) haya una elevada tensión de contacto, crea una corriente de fuga que es detectada y extinguida por los dispositivos de protección diferencial.

Se debe asegurar una baja resistencia de conexión a tierra, con el fin de garantizar la mayor intensidad de corriente posible en caso de defecto a tierra. Por este motivo, todas las masas metálicas han de estar unidas a un conductor de tierra de protección (PE). Según el esquema de conexión a tierra (ECT), este conductor tendrá una conexión a tierra en la propia instalación o se conectará a tierra en la fuente de suministro eléctrico.

La continuidad de los conductores de tierra de protección es vital para garantizar una tensión de contacto segura para los seres vivos y salvaguardar los equipos.

En situaciones que involucren la superficie del suelo, la seguridad de las personas se crea por la interconexión de todos los puntos dentro del área de trabajo y no por la conexión entre dicha área y el suelo. Debido a que las resistencias de los cables de unión no son cero sino valores finitos, es imposible crear una verdadera "zona equipotencial". Aún cuando este término no es el más acertado, muchas personas insisten en llamarle así. Por lo tanto, se admite la creación de una zona dentro de la cual las diferencias de tensión sean mínimas, garantizando que la corriente que circule por el cuerpo esté limitada a un nivel que no sea peligroso.

Como puede verse, la seguridad personal depende sobretodo de que los cables de unión tengan bajas resistencias, o sea, grandes secciones transversales para minimizar las caídas de tensión dentro de la llamada "zona equipotencial". Por otro lado, no es importante el valor de la resistencia por medio de la cual dicha zona se conecta con el suelo.

¿Por qué la resistencia de conexión a tierra tiene impacto en la seguridad personal? Esto sucede cuando no se han hecho los esfuerzos necesarios por crear una zona equipotencial. Consecuentemente, los pies de una persona podrían estar sobre una tierra remota con relación a aquella en la cual se está drenando la corriente perturbadora, mientras que sus manos u otras partes de su cuerpo podrían estar en contacto con un objeto que esté sometido a una elevación de potencial de tierra (GPR, por sus siglas en ingles). En esta situación, el riesgo podría ser más alto cuanta más alta sea la GPR, o sea, cuando la resistencia a tierra es mayor. Sin embargo, no se garantiza la seguridad de las personas aún cuando se reduzca la resistencia de conexión a tierra.

El procedimiento de diseño de las subestaciones eléctricas explica mejor el aspecto anterior. La conexión a tierra se realiza mediante una malla de conductores horizontales enterrados que abarca el área de la subestación. La resistencia a tierra está determinada por el área total que ocupa la malla, es decir, la longitud total de conductores desnudos en contacto con el suelo y, por supuesto, la resistividad del suelo. Por otro lado, las tensiones de paso y contacto están fundamentalmente determinadas por el espaciamiento entre los conductores que forman la malla, o sea, el llamado "ancho de rejilla". Como el ancho de rejilla es independiente del área total de la malla, puede presentarse una situación en la cual no haya seguridad para las personas aún cuando la GPR sea baja y los equipos estén protegidos. De modo contrario, las personas pueden estar seguras si el ancho de rejilla es pequeño aún cuando la GPR sea alta. Una de las formas más efectivas en el control de las peligrosas tensiones de paso y contacto es la disminución del espaciamiento entre los conductores que forman la malla en el interior de la subestación, asemejándose a una placa continua.

Para disminuir la GPR que puede desarrollarse en la malla de tierra, deben evaluarse las siguientes soluciones:

1) Disminución de la resistencia total de tierra para disminuir tanto la GPR y como la máxima tensión transferida. La vías más efectivas son el incremento del área ocupada por la misma o la colocación de varillas verticales si el área disponible es limitada y estas penetran hasta capas de baja resistividad 2) Desviación de una parte de la falla de corriente hacia otros caminos.

3) Limitación de la corriente de falla total por algún método que no implique el aumento de tiempo de limpieza de la misma.

Si bien los valores de las tensiones de paso y de contacto generadas por la disipación de corrientes en el suelo usualmente están fuera de nuestro control una vez construida la malla, se puede lograr su regulación mediante otros métodos. Generalmente se aplica la adición de una capa de un material de alta resistividad encima de la superficie del suelo. Con este fin se usan la gravilla y el asfalto, siendo el primero más ampliamente usado en las subestaciones eléctricas. En caso de que por estos medios no pueda lograrse una situación segura, entonces habrá que recurrir a la colocación barreras físicas alrededor del objeto peligroso que impidan la aproximación de las personas a éste.

Conclusiones

Evidentemente, desde el punto de vista de la seguridad personal puede ser útil una baja resistencia a tierra cuando de trata de las mallas de subestaciones eléctricas y similares y no se ha logrado la equipotencialidad de la zona mediante otras medidas. En estos casos, mientras mayor es el valor de la tensión de operación de la subestación, menor deberá ser el de resistencia a tierra con vistas a ayudar al control de las peligrosas tensiones de paso y contacto que pueden causar lesiones a los seres vivos. Sin embargo, en los sistemas eléctricos de baja tensión, para la protección contra las fallas eléctricas y los efectos del rayo, este valor carece de trascendencia. El aspecto más importante es el de unión equipotencial, para lo cual los conductores deberán ofrecer muy bajos valores de resistencia y esto se logra cuando los mismos tengan una adecuada área de sección transversal, mínima longitud posible y un trazado sin dobleces agudos.

Siempre tendrá mérito disponer de una resistencia a tierra muy baja, pero es necesario comprender que la protección puede lograrse aún sin la presencia de una tierra de baja impedancia y sí por medio de una adecuada unión equipotencial al sistema eléctrico. Esto pudiera parecer contrario a lo que habitualmente se dice, pero es más importante es la ecualización de las tensiones que de la derivación de corriente – aunque ambos están relacionados. Debe considerarse que hay sitios en el planeta, donde por la alta resistividad del suelo, no es alcanzable de manera práctica y económica una conexión a tierra de baja impedancia. En estos lugares, la instalación de electrodos de tierra realmente es más un sistema de unión. La clave para evitar daños a la estructura, al sistema eléctrico o a los equipos conectados a éste es crear un medio donde los sistemas de puesta a tierra, de unión equipotencial y de protección eviten las diferencias de potencial entre puntos del sistema eléctrico. Si no hay diferencia de potencial, no puede circular corriente – como establece la Ley de Ohm- o a la inversa, si circula corriente sin la presencia de una impedancia significativa, no se creará una gran diferencia de potencial. Este planteamiento no tiene la intención de "restar valor" al concepto de conexión a tierra sino la de "resaltar la importancia" de una correcta unión equipotencial.

Parece ser que lo ocurrido es una confusión de los conceptos de resistencia a tierra y de resistencia de conexión a tierra que tienen gran incidencia en el logro de la seguridad personal. Este equivoco pudiera tener su origen en una interpretación errónea de las definiciones que aparecen en textos técnicos generalmente en idioma inglés o en los bajos valores de resistencia a tierra que muchos fabricantes demandan para sus equipos y sistemas. Este hecho ha conllevado a que actualmente muchos especialistas exijan e intenten lograr bajos valores de resistencia a tierra como si esta fuera de importancia capital para la adecuada operación de los sistemas que integran.

Autor:

Ing. Frank Amores Sánchez

Especialista PCI Dirección de I+D. APCI