Puesta a Tierra y Recomendaciones en Instalaciones de Radio (página 2)

1.6 Red de Tierra:

La masa conductora de la tierra constituye un potencial eléctrico de referencia único. Bajo este concepto puede definirse a una toma de tierra, como aquella constituida por un electrodo conductor en tierra o conjunto de ellos interconectados, que aseguren una conexión eléctrica con la tierra, formando de esta manera una red de tierra.

Las placas de tierra que sirven para interconectar a los equipos y los cables que vinculan estas placas con las tomas de tierra deben ser consideradas como parte de la red de tierra.

Su función es garantizar:

• La seguridad de las personas.
• Un potencial de referencia único a todos los elementos de la instalación. De esta manera se logrará la protección adecuada y el buen funcionamiento de los equipos.
• El camino a tierra de las corrientes de falla.

Para cumplir con los objetivos arriba mencionados, una instalación debe contar con dos características fundamentales:

• Una red de tierra única y equipotencial.
• Un bajo valor de impedancia.

Si partimos de la premisa que una red de tierra es la encargada de derivar la energía del rayo a la masa conductora de la tierra, la misma será más efectiva, cuanto menor sea la impedancia que presente en su unión eléctrica con la masa de la tierra. Esta característica dependerá de la resistividad del terreno, de su ionización y de la geometría de los conductores de tierra.

La resistividad del terreno es variable de un terreno a otro, depende de su contenido de humedad y de su temperatura, pudiendo variar la impedancia de tierra medida en distintos lugares del mismo terreno, como así también hacerla variar con el transcurso del tiempo.

Un terreno es frecuentemente heterogéneo, tanto horizontal como verticalmente.

La resistividad de las capas superficiales presenta importantes variaciones estacionales bajo el efecto de la humedad (disminuyéndola) y de las sequías (aumentándola). Esta acción se puede producir hasta profundidades de aproximadamente 1 a 2 metros.

Otro elemento determinante en la constitución del terreno, es su granulación y su porosidad, que determina su poder de retener humedad y por lo tanto su calidad de contacto con los electrodos de tierra. Es por ello, que terrenos de granos gruesos, pedregosos son malos para conseguir buenos valores de impedancia de tierra.

En algunos casos, puede pensarse en agregar productos químicos, con el objetivo de mejorar la conductividad del terreno. No deberá perderse de vista que esta solución es transitoria, ya que estos productos deberán mantenerse en buen estado e incluso renovarlos para mantener una elevada conductividad. Por eso no se recomienda la utilización de estos productos.

Por lo dicho, para poder dimensionar un sistema de puesta a tierra, deberá conocerse el valor de resistividad del terreno, su configuración y la disposición geométrica en que podrán tenderse los conductores de tierra.

Será recomendable al medir el valor de resistividad del terreno, repetir la medición variando las distancias y la profundidad de los electrodos de pruebas, con el objeto de poder observar la variación de resistividad en función de la profundidad del terreno.

Con este valor de resistividad, podrán utilizarse ecuaciones y tablas que nos permitirán conocer con cierta aproximación el valor de resistencia de tierra a obtener.

Todo lo expresado, lleva a pensar que no en todos los terrenos podrá conseguirse un bajo valor de resistencia de tierra, y no deberá caerse en el error de intentar lograrlo en terrenos de muy alta resistividad. Tal es el caso de zonas montañosas, en donde resulta inútil e ineficaz plantear una red de tierra convencional. No solo por su imposibilidad de realizar excavaciones, sino por la pérdida de efectividad. En este tipo de suelos, la falta de tierra blanda, hace que la conductividad superficial sea reducida, siendo necesario en estos casos plantear una red de tierra que se independice del valor de resistencia de tierra y focalice su objetivo en dispersar toda la energía proveniente de una descarga atmosférica.

Nota: Según la recomendación de TASA (Aceptación del Sistema), el sistema de puesta a tierra diseñado debe ser previsto para lograr una resistencia de difusión al suelo, igual o inferior a 5 ohms en terrenos con resistividades de hasta 100 ohm · metro. De tal manera queda establecido en ese valor (5 ohms) como el límite de aceptabilidad de la resistencia a tierra que deberá medirse en suelos que no superen dicha resistividad, mediante el uso de un telurímetro conectado al sistema de puesta a tierra de la estación de radioenlace.

En aquellos terrenos que excedan el valor indicado de resistencia específica de 100 ohm · metro, podrá admitirse un aumento de la resistencia de difusión a tierra proporcional al incremento de la resistividad, en relación con el valor referencial de 100 ohm · metro.

Para un suelo de resistividad de 250 ohm · metro, el cálculo a realizar será:

Este valor será el máximo aceptable en este tipo de terreno.

Como ejemplo de valores de resistividad de terrenos se adjunta la siguiente tabla.

De cualquier forma, esta resistividad varía con la humedad, con la temperatura, estratos y diferentes estaciones del año, por lo cual lo mejor es registrar cuando fueron tomadas las medidas para volver a repetirlas (a los fines de mantenimiento) en la misma época del año.

1.6.1 Método sencillo para determinar la resistividad del suelo:

Se introducen superficialmente cuatro electrodos con la misma separación, la profundidad de penetración (b) debe ser menor que el espacio entre los electrodos (a), en donde (a ³ 20. b). Se aplica una corriente conocida entre los dos electrodos exteriores y se mide el potencial entre el par interior. Luego utilice la siguiente fórmula:

r = 6,28 . a . (V/I)

La fórmula anterior nos permite conocer la resistividad del suelo en ohm.m.

1.7 Red de tierra del edificio:

La regla básica con la que se plantea la red de tierra es la utilización de un anillo perimetral de tierra, integrando a éste, electrodos de tierra (Norma de Telecom).

Si bien técnicamente es ideal el trazado de un anillo perimetral, rodeando exteriormente al edificio a proteger, no siempre es posible por las características o disposición de algunas edificaciones.

El anillo perimetral estará formado por un conductor de cobre desnudo de 50 mm2 de sección, debiendo rodear perimetralmente al edificio. Este conductor enterrado deberá ser continuo, sin ningún tipo de empalme (salvo en las cámaras de inspección) y con entradas directas a la placa de tierra interna del edificio.

De ser posible el anillo perimetral estará enterrado a una profundidad de 0,60 a 0,80 metros formando un anillo cerrado instalado a 1 metro, de las paredes laterales del edificio.

El anillo perimetral no debe presentar ninguna discontinuidad y al edificio se ingresa por medio de los extremos del mismo llegando a la placa de tierra por conductos separados. Integradas al anillo perimetral enterrado y por medio de soldadura cuproaluminotérmica, se deberán instalar jabalinas de acero cobre de 1,5 m de longitud y 16 mm de diámetro, hincadas en el terreno y distribuidas a lo largo del dispersor con una separación mínima de 2 veces la longitud de la jabalina.

De ser posible, deberá colocarse en cada punto de cambio de dirección o de interconexión del anillo perimetral una jabalina. Esto se debe a que frente al escarpado pulso del rayo cada interconexión o cambio de dirección vertical u horizontal del anillo perimetral, representa un incremento de impedancia, que se traduce en un incremento de tensión.

1.8 Red de masa:

1.8.1 Masa:

Es la masa conductora de un equipo eléctrico susceptible de ser tocado por una persona, que normalmente no está bajo tensión, pero puede estarlo en caso de falla de aislamiento de las partes activas de ese equipo.

1.8.2 Red de masa:

Es el conjunto de las masas y de los conductores de protección que conectan las masas a las barras de tierra. Los principios adoptados para la implementación de una red de masa definen un Plano de masa.

El plano de masa debe ser único y común a todos los equipos y realizado tan correctamente como sea posible.

La red de masa debe realizarse para conseguir dos objetivos:

• Protección de los equipos y de las personas.
• Calidad de funcionamiento de los equipos.

Los métodos constructivos a aplicar para lograr el primer objetivo, no son exactamente igual al método a aplicar para conseguir el segundo objetivo.

La red de masa en estrella realizada a partir de la placa de tierra tiende a la protección de los equipos y de las personas contra las perturbaciones de baja frecuencia, no siendo tan eficaz ante agresiones de alta frecuencia.

La ejecución de una red de masa en malla, además de cumplir con los mismos objetivos que una distribución en estrella, mejora la protección de los equipos ante las altas frecuencias.

Para la correcta realización de una red mallada, las conexiones deben ser lo más cortas y directas posibles. Por lo dicho una conexión corta y de buena dimensión presenta una baja impedancia para las altas frecuencias.

Por lo tanto los armazones y los elementos metálicos se conectan a la masa por medio de una conexión lo más corta posible, además de interconectarse entre sí, formando de esa manera una red de masa.

1.8.3 Conexiones de las masas:

Cada equipo debe estar conectado a la placa de masa ó a la placa de tierra por medio de un conductor específico. En el caso de edificios de varios pisos con una gran cantidad de equipos la instalación es compleja. Por eso, siempre que sea posible, en esos casos se deberá llevar una placa por piso, a los efectos de distribuir desde ella a cada sala de equipos con un cable de protección.

Los conductores de protección deberán ser aislados, mientras que a nivel de vinculación de equipos puede utilizarse conductor desnudo.

El dimensionamiento de los cables de protección dependerá de la corriente de falla de los equipos, desde dos puntos de vista:

• No debe producir calentamiento en el conductor de protección.
• La elevación de potencial de la masa del equipo con respecto a tierra y su relación con la masa de otros equipos no debe ser peligrosa ni para el personal, ni para el equipamiento.

De lo dicho, es que en todo momento deben buscarse resistencias muy bajas en las secciones de los conductores de protección utilizados.

Como regla general puede adoptarse:

1.8.4 Red de masa mallada:

Se basa en el principio de la interconexión de todas las masas metálicas que incluyen los bastidores ó chasis de cada sistema y la interconexión de las diferentes masas (tierra electrónica y tierra mecánica).

Una red de masa en forma de malla, estará formada por:

• Conductor de masa
• Parte metálica de los equipos
• Bandejas de cables, etc.
• Pantalla de los cables

1.8.5 Conexión de las masas utilizadas en el edificio:

Deberán estar conectadas al plano de masa todos los elementos metálicos situados en las proximidades de los sistemas de telecomunicaciones, como ser:

• Cables de entrada al edificio
• Repartidores
• Pisos técnicos de salas de conmutación
• Marcos de aberturas de acceso a cada sala
• Canalizaciones de agua
• Canalizaciones de gas.
• Columnas ascendentes de calefacción
• Sistemas de calefacción

1.9 Toma de tierra del pararrayos:

1.9.1 Función:

La instalación de los pararrayos debe garantizar la protección de los edificios contra descargas atmosféricos directas, no protegiendo cuando estas son transmitidas a través de la red de distribución de energía eléctrica.

Una instalación de un pararrayos está dividida en tres partes:

• Estructura de recolección
• Estructura de descenso
• Estructura de flujo (tomas de tierra propias)

Todo tipo de antena a instalar en una torre deberá estar indefectiblemente debajo del "cono de protección" del pararrayos. Se define así al cono de 30 ° con vértice en el extremo superior del pararrayos.

La instalación del pararrayos prevista para canalizar las descargas directas deberá estar preparada para hacer fluir las corrientes instantáneas a través de conductores de baja impedancia (estructura de descenso), disponiéndose del lado más alejado a las instalaciones (estructura de flujo).

De esta manera se logrará:

• Que el impacto directo de un rayo sobre cualquier componente de la instalación se canalice adecuadamente a tierra.
• Evitar los fenómenos de inducción sobre los cables de descenso de antenas.

La instalación del pararrayos deberá estar acorde a la estructura del edificio, evaluándose en cada caso características relacionadas con él mismo (equipos asociados). La instalación se ajustará a la Norma IRAM 2184.

Deberá tenerse en cuenta entre otras cosas:

• Dimensiones del edificio.
• Puntos más vulnerables del edificio.
• Forma e inclinación del techo.
• Altura de las antenas.

• Elementos metálicos existentes a nivel de techo: ductos de aire acondicionado, escaleras de cables, etc.

• Disposición de cañerías de agua, eléctricas, etc.
• Ubicación de las salas de equipos sensibles.

1.9.2 Estructuras de recolección:

Normalmente son utilizados elementos de captura de una sola punta ó de varios elementos, llamados normalmente tipo Franklin.

El área de protección suministrada por este tipo de elemento captor, es esencialmente variable y depende de la corriente pico del retorno del primer impacto del rayo en KA. Prácticamente puede adoptarse que la zona protegida por este tipo de pararrayos está limitada por un cono cuya punta coincide con la punta del pararrayos y cuyo ángulo medido a partir de la misma es de 60º.

1.9.3 Protección tipo caja mallada:

Cuando se utilice como protección la del tipo mallada en un edificio, será aplicable el de una sola punta. En estos casos, las puntas están colocadas en los puntos más vulnerables del edificio. Los conductores de techo estarán destinados a canalizar la corriente de rayo desde los dispositivos de captura hacia los conductores de descenso. Para este tipo de instalaciones, los conductores de techo deberán formar un polígono cerrado cuyo perímetro se encuentre cerca del perímetro del techo. Este sistema de protección es ideal para edificios con geometrías regulares, sin torre.

Los descensos deberán estar colocados en los ángulos o en las partes salientes del edificio. Este sistema es de costosa realización.

1.9.4 Conductores de descenso:

Los conductores de bajada deberán soportar el flujo de corriente desde el terminal aéreo hasta los terminales de tierra. Estos conductores deberán ser de una sección mínima de 50 mm2.

Dado que la corriente del rayo es un impulso característico, se recomienda utilizar fleje, dado que la superficie de dispersión de este es mayor que un conductor redondo para una misma sección. Se utilizará como conductor de descenso fleje de cobre de 30 x 2 mm. No se permite utilizar como conductor de descenso cables coaxiales aislados o vainas aisladas.

Los conductores de descenso deberán ser instalados fuera de la estructura (salvo en casos especiales) y por la cara más alejada a la sala de equipos.

Normalmente solo es necesario un conductor de descenso, excepto en los casos en que el recorrido horizontal del conductor de bajada es más largo que el vertical o cuando la altura del edificio supere los 28 m, para los cuales se utilizan dos conductores.

El recorrido del conductor de bajada debe ser lo más recto posible, con curvas, si no se las puede evitar, no inferiores a 20 cm de radio.

El recorrido deberá ser elegido de tal manera de evitar cruce o acercamientos con canalizaciones eléctricas. Deben estar a más de 3 m de toda cañería ascendente exterior de gas y no debe estar conectada con ella. En aquellos edificios donde no sea posible realizar el recorrido en forma externa, podrá realizarse en forma interna, a través de un conducto específico.

1.9.5 Toma de tierra para pararrayos:

El valor adoptado para estas tomas de tierra deberá ser menor a 10 W . La toma de tierra estará constituida por fleje de cobre de 30 x 2 mm, dispuesta en forma de pata de ganso, es decir, tres flejes de 5 metros de longitud, enterrados horizontalmente a una profundidad entre 0,60 y 0,80 metros formando un ángulo entre ellos de 60º. Si es posible ésta deberá estar situada a no más de 5 m del pie de la torre ó de la pared del edificio. En el extremo de cada uno de los flejes se hincarán jabalinas (una en cada extremo o punto de conexión).

Se deberá prestar mucha atención a que la toma de tierra del pararrayos esté alejada por lo menos 3 m de cualquier elemento metálico que no penetre en el edificio protegido.

1.10 Toma a tierra de la torre:

1.10.1 Conceptos generales:

Como ya se ha visto las torres y los edificios deben ser protegidos adecuadamente, a los efectos de equilibrar las medidas necesarias con las destinadas a la protección de los equipos de telecomunicaciones.

Las partes metálicas de la torre y del edificio deben ser interconectadas y vinculadas adecuadamente a las partes metálicas de los equipos.

Los equipos de telecomunicaciones podrán colocarse en edificios separados a las torres pero preferiblemente cercanos o en las propias torres.

En la práctica, todas las torres y mástiles tienen los mismos elementos a proteger:

• Antenas
• Cables de bajada de antenas: guías de onda y cables coaxiles.
• Cables de descenso de balizamiento.

La toma a tierra de las estructuras metálicas de soporte, (torres o mástiles) tiene por objeto canalizar las descargas que pudiesen entrar, no solo por éstas, sino por todo elemento vinculado eléctricamente a éstas.

Ya que constructivamente las torres y mástiles son diferentes, sus conexiones a tierra también lo serán, en cambio los descensos de antenas y balizas se protegen de la misma manera (independientemente de su estructura de soporte).

1.10.2 Toma a tierra de torres autosoportadas:

Básicamente son estructuras metálicas piramidales de 3 o 4 aristas. Cada pie descansa sobre una fundación de hormigón independiente del resto. En estas estructuras, las descargas sobre elementos de ella, son canalizadas por la bajada del pararrayos y por la propia estructura.

Por este motivo, las torres tendrán una toma de tierra específica. Su punto de partida será una placa de cobre (220 x 100 x 10 mm) unida mecánica y eléctricamente a la estructura de la torre. Esta barra, será situada en la pata más alejada de la pared más próxima a la torre. Desde ésta partirá un fleje de cobre de 30 x 2 mm que será vinculado con soldadura cuproaluminotérmica a una jabalina de acero-cobre hincada al pie de la torre. El resto de las patas deberán estar conectadas entre sí perimetralmente con un fleje de cobre de 30 x 2 mm soldado a cada pata. Estas vinculaciones equipotenciales serán realizadas bajo tierra a una profundidad no inferior a 0,20 m. En el caso de obras nuevas se agregará la vinculación eléctrica del hormigón armado a las patas de la torre.

1.10.3 Toma a tierra de mástiles:

Los mástiles son estructuras de tipo prismático cuyo único pie de apoyo descansa sobre una fundación de hormigón. La resistencia de esta estructura es conseguida por tensores o riendas que vinculan mecánicamente el mástil a diferentes alturas con puntos de fijación terrestres que las agrupan llamados anclotes.

Este tipo de estructuras presenta un comportamiento diferente al de las torres; la mayor parte de la descarga del rayo fluirá a través de las riendas. La primera medida consiste en vincular eléctricamente todas las riendas que convergen a un mismo anclote con un conductor adecuado a cada caso.

Sobre la superficie, las riendas se interconectarán con cable de acero galvanizado de diámetro mínimo 6 mm, unidos entre sí con grampas prensacables de acero galvanizado. Las curvaturas de estos cables intentarán por todos los medios, descender con el cable verticalmente en sentido de la descarga.

De la rienda más baja, partirá una vinculación con cable de acero galvanizado hacia el suelo, pero antes de su ingreso al terreno, se unirá con soldadura cuproaluminotérmica a un cable de cobre desnudo de 50 mm2 el que, enterrado a una profundidad de entre 0,60 a 0,80 m, seguirá un recorrido paralelo al anclote y hacia la parte posterior del anclote. Inmediatamente después de éste, se formará una pata de ganso con el mismo conductor y dos jabalinas de acero-cobre soldadas cuproaluminotérmicamente. En todos los anclotes será dispuesta esta toma de tierra.

1.10.4 Verificaciones a realizar:

Los valores aceptados de resistencia de la toma a tierra de la torre ó de los anclajes de riendas (en el caso de los mástiles) deberán ser inferiores o iguales a 10 W . En todas las vinculaciones de masa metálicas debe existir una resistencia de contacto inferior o igual a 1 mW .

12. Toma a tierra de las antenas y de los cables de telecomunicaciones (Guías de onda y cables coaxiles):

1.11.1 Antenas:

Todas las antenas deberán estar vinculadas por medio de un cable de cobre aislado de 50 mm2 de sección, color verde, a la estructura metálica de la torre a través de terminales de compresión.

1.11.2 Guías de onda y cables coaxiles:

La vinculación será realizada con un kit (Grounding Kit) de puesta a tierra que consiste básicamente en una abrazadera que permite la unión eléctrica del conductor exterior del cable o guía de descenso de antena con la torre. La vinculación es en la parte superior después de la curva del cable y a nivel inferior, antes de la curva que ingresa a la sala de transmisión. La conexión eléctrica a la torre no será realizada directamente sobre ésta sino montando una barra de cobre en la estructura (nunca agregar perforaciones a la torre), o en la bandeja, y sobre la cual se conectarán los kits de puesta a tierra. Esta conexión debe ser lo más corta, directa y vertical (descendente) posible.

La barra horizontal permite futuras ampliaciones en la cantidad de descensos.

Si bien se ha estipulado como condición mínima, la conexión de los descensos en dos lugares, este criterio varía de acuerdo a la altura de la estructura a saber:

1.11.3 Pasamuros:

Si bien se ha planteado un sistema de puesta a tierra integrado, el equipo asociado a la torre puede sufrir las consecuencias del impacto del rayo, si no se toma precauciones adicionales a las ya planteadas en los apartados anteriores.

Una descarga que circule por los descensos de antena hacia la toma de tierra, utilizará como camino al pasamuros y el fleje que lo conecta a la toma de tierra del edificio. Por lo tanto las guías de onda y las mallas exteriores de los cables coaxiles serán conectados al pasamuros logrando de esta forma una conexión corta y directa a tierra.

Para ello se instala una barra de cobre por debajo de los cables de ingreso, a la cual se conectarán los cables de descenso (de los kits de tierra), y desde la que partirá el fleje de bajada hacia una cámara de inspección con una placa de cobre y de allí a una jabalina de acero-cobre.

1.11.4 Balizas:

Generalmente los conductores que descienden desde una o varias balizas, están canalizadas en el interior de cañerías galvanizadas con cajas de inspección a distancias regulares. Esta instalación debe vincularse eléctricamente a la estructura (metálica de la torre) utilizando cable de cobre aislado normalizado de 16 mm2 color verde.

Este tratamiento debe aplicarse a cualquier conductor susceptible a descargas que desciende de una estructura. Tal es el caso de los generadores eólicos, paneles solares montados sobre estructuras metálicas y toda otra configuración que así lo requiera.