Curso de conexión a tierra de sistemas de potencia y redes de computadora

Indice
1. Unidad I: Sistemas de puesta a tierra
2. Unidad II: Equipo de puesta a tierra
3. Unidad III: Aterrizaje de protección contra cargas estáticas y rayos
4. Unidad IV: Medición de la resistencia a tierra
5. Unidad V: Aterrizaje de equipo electrónico sensible

1. Unidad I: Sistemas de puesta a tierra

(http://www.rbitem.com/ITEM_Publications/ITEM_Archives/u97art07.htm)
Puesta a tierra significa el aterramiento físico o la conexión de un equipo a través de un conductor hacia tierra. La tierra está compuesta por muchos materiales, los cuales pueden ser buenos o malos conductores de la electricidad, pero, la tierra como un todo s considerada como un buen conductor. Por esta razón y como punto de referencia, al potencial de tierra se le asume cero. La resistencia de un electrodo de tierra, medido en ohmios, determina que tan rápido, y a que potencial, la energía se equipara. De esta manera, la puesta a tierra es necesaria para mantener el potencial de los objetos al mismo nivel de tierra.

La resistencia de tierra es la resistencia eléctrica del suelo al flujo de la corriente AC y DC. La unidad de medida usada más frecuentemente es el ohmio-metro, el cual se refiere a la resistencia medida entre caras opuestas de un metro cúbico de suelo. Teóricamente, la resistencia de un sistema aterrizado R puede ser calculada usando la formula general de resistencia:

Donde:
r = Resistividad de la tierra (ohmios – metros)
L = Longitud de tramo conductivo (metros)
A = Sección transversal del área de la trayectoria (metros cuadrados)

Tanto la temperatura como la humedad del suelo pueden variar significativamente el valor de la resistencia del suelo. La resistividad del suelo no varía significativamente hasta que las temperaturas alcanzan las condiciones de congelamiento (unos 32° F). A esta temperatura la humedad en el suelo se congelará aumentando la resistividad del suelo.

La acumulación de sales en el suelo también influye su resistencia. En general, entre mayor cantidad de sales o electrolitos contenga el suelo, menor será su resistencia.

Definiciones:
Sistema Aislado: son los sistemas, circuitos o aparatos, sin conexión intencional a tierra, excepto a los medidores de potencial o de aparatos de medición o de equipos de impedancia alta.

Sistema Aterrizado: es un sistema de conductores en donde, por lo menos, un conductor o punto (generalmente el de en medio o neutro de las bobinas de generadores o transformadores) se conecta intencionalmente a tierra, ya sea sólidamente o a través de una impedancia.
Aterrizado Sólidamente: se conecta directamente, por medio de alguna conexión adecuada a tierra, sin que tenga una impedancia intencional.

Aterrizado Efectivamente: se conecta a tierra a través de una impedancia baja, de tal forma que para todas las condiciones del sistema, la relación de la reactancia de secuencia cero a la de secuencia positiva () sea positiva y menor que tres y que la relación de resistencias de secuencia cero a reactancia de secuencia positiva () sea positiva y menor que 1.

Aterrizaje por Resistencia: se aterriza por medio de una impedancia en la que el elemento principal es una resistencia.

Aterrizaje por Inductancia: se aterriza por medio de una impedancia en la que el elemento principal es una inductancia

Factores Que Influyen En La Selección De Un Sistema Aterrizado O Aislado

1. Continuidad en el servicio. Muchas plantas han estado trabajando con sistemas aislados en uno o varios niveles de voltaje, para ganar un poco más de continuidad en el servicio. El hecho de que cualquier contacto de una fase del sistema y tierra no provoque suspensión del servicio de ninguna carga, puede representar una ventaja para muchas plantas, dependiendo de la importancia por el tipo de planta. En muchos casos, los sistemas se aterrizan para que los equipos de protección de los equipos remuevan los circuitos que tienen falla, sin importar que tipo de falla. Una falla de fase a tierra produce el aislamiento inmediato del circuito que tiene la falla, suspendiendo el servicio a las cargas de ese circuito.
2. Fallas múltiples a tierra. Aunque la falla a tierra de una fase, en un sistema aislado, no produce suspensión del servicio, si ocurre una segunda falla, en una fase diferente y antes de limpiar la primera, sí se producirá suspensión del servicio. Mientras más tiempo se permita la primera falla, mayor será la posibilidad de que ocurra la segunda falla en otra fase y provoque la suspensión del servicio. La ventaja de los sistemas aislados se pierde si se ignora la primera falla hasta que se produzca la segunda. En los sistemas aislados se debe tener un programa de mantenimiento organizado para localizar y remover fallas, tan pronto como sea posible, después que se detectan.
3. Incendios por fallas con arqueo. Últimamente y especialmente en sistemas de bajo voltaje, se han reportado incendios por fallas por arqueo, provocando daños severos o destrucción total del equipo eléctrico, por la energía de las fallas con arqueo. En los casos típicos, la falla con arqueo se establece entre dos o más fases de un sistema aislado o entre las fases y tierra de un sistema aterrizado. La falla con arqueo libera cantidades enormes d energía en el punto de la falla, lo cual libera violentamente, gases calientes y plasma de arco. El calor es tan intenso que vaporiza el cobre o aluminio y el hierro de los alrededores y produce gases tóxicos e inflamables. Típicamente, el elemento normal de protección de sobre corriente no opera rápidamente para remover la falla inicial. Es posible que la corriente de falla sea menor que el disparo o que el tiempo de acción u operación sea muy largo, mientras tanto, se está produciendo el arqueo. Los sistemas aterrizados sólidamente o con resistencia baja, permiten la protección contra incendios por fallas con arqueo entre fase y tierra; desdichadamente, todavía no hay forma de protección contra corrientes de falla con arqueo de línea a línea.
4. Localización de fallas. En sistemas aislados, la falla a tierra no abre el circuito. Se deben instalar equipos para que detecten y avisen. Es importante que el equipo nos permita la detección de la falla sin cortar la energía, para no esperar hasta que se pueda desconectar el sistema. En los sistemas aterrizados, en cambio, las fallas accidentales a tierra se localizan y detectan por la desconexión automática del circuito o equipo con falla.
5. Seguridad. Muchos de los peligros del personal y los equipos se producen porque la puesta a tierra de los equipos o estructuras metálicas es pobre o no existe. Sin importar si el sistema es aterrizado o no, las consideraciones de seguridad exigen que los equipos y estructuras se aterricen. Pueden aparecer otros peligros de golpes eléctricos o fuego en sistemas aterrizados o aislados, a causa de aterrizaje inadecuado de los equipos. Las fallas accidentales a tierra son inevitables. Los pasos de corriente a tierra por fallas en el aislamiento entre las bobinas y la carcaza o estructura de los motores se pueden dar por la grasa u otros materiales que se pueden encender con las chispas o con calentamientos localizados.
6. Peligros de voltajes anormales. Los sobrevoltajes posibles en los sistemas aislados pueden causar más frecuencias de fallas del equipo, que si el sistema se aterrizara. En muchos casos, se producen fallas n más de un equipo al mismo tiempo. Estas fallas múltiples no se producen, necesariamente, en el mismo alimentador o circuito derivado, sino que pueden involucrar equipos en varios alimentadores diferentes.
7. Sobrevoltajes de los sistemas de potencia. Algunas de las fuentes de sobrevoltaje más comunes en sistemas de potencia son las siguientes:

1. Descargas eléctricas (lightning)
2. Pulsos de conexión y desconexión (switching sources)
3. Cargas estáticas
4. Contacto con sistemas de alto voltaje (HV® LV)
5. Fallas de línea a tierra
6. Condiciones resonantes
7. Fallas a tierra con reencendido

1. Descargas eléctricas. Muchos sistemas industriales tienen protección de escudo contra las descargas eléctricas directas. Muchos circuitos son subterráneos en ductos o en conductos metálicos o canaletas. Hasta los circuitos aéreos se protegen con las estructuras metálicas adyacentes o con los edificios. Los pararrayos en la entrada de servicio limitan los pulsos de voltaje hacia la planta, que resultan de las descargas en las líneas de servicio expuestas. Este pulso es capaz de dañar los equipos conectados en secundario, a menos que tengan equipos de protección contra impulsos.
2. Pulsos de conexión y desconexión (switcheo). Estas operaciones, normales en el sistema, pueden causar sobrevoltajes. Generalmente son menores que tres veces el voltaje normal y de duración corta. El sobrevoltaje que se desarrolla resulta de la oscilación transitoria entre la capacitancia y la inductancia del circuito, la energía en el momento de al interrupción está almacenada en la capacitancia del circuito.
3. Estática. La creación de sobrevoltajes en los conductores de los sistemas de potencia, debido a las cargas estáticas no es problema para las plantas modernas que tienen los circuitos y equipos en montajes metálicos. La carga estática de las bandas transportadoras puede crear voltajes que se pueden transmitir al sistema de potencia, a menos que las estructuras de los motores se aterricen adecuadamente. Las líneas aéreas están expuestas a sobrevoltajes estáticos, en ciertas condiciones atmosféricas. La creación de sobrevoltajes estáticos se pueden prevenir conectando a tierra al sistema aún en el caso de resistencia alta.
4. Contacto con sistemas de alto voltaje. Sucede cuando se rompe una línea de alta tensión y toma contacto con conductores de bajo voltaje, o cuando falla el aislamiento entre las bobinas de alta y baja tensión. Si el sistema se aterriza efectivamente, aunque se producen cantidades grandes de corriente de falla, el neutro del sistema permanecerá muy cerca del potencial de tierra y los sobrevoltajes a tierra, en el lado de bajo voltaje, se reducen considerablemente.
5. Fallas de línea a tierra. La causa más común de sobrevoltaje sostenidos en los sistemas aislados es que una fase del sistema se aterrice. En este caso el aislamiento de las otras dos fases se someten a un 73% más de lo normal. El sistema aterrizado sólidamente no permite este sobrevoltaje. Aún que no es suficiente para que no se provoque la falla del aislamiento, la repetición de estas condiciones acorta su vida útil.
6. Condiciones resonantes. Los sistemas aislados están expuestos a los voltajes resonantes. Como la capacitancia de fase a tierra de los sistemas grandes es alta, se puede dar la condición aproximada de circuito resonante durante una falla de línea a tierra, con alguna inductancia, como una bobina dañada de un arrancador de motor. El voltaje a tierra de las líneas no falladas puede ser considerablemente mayor que el voltaje de línea a línea. Los sobrevoltajes debidos a resonancia se encuentran en circuitos pequeños y en los que se usan circuitos sintonizados inductancia-capacitancia como es el caso de los equipos de soldadura.
7. Fallas a tierra con reencendido. Las experiencias de campo y de los estudios teóricos demuestran que los arcos, los reencendidos y las fallas vibrantes a tierra en los sistemas aislados y bajo ciertas condiciones producen pulsos de voltaje de hasta seis veces el normal. La condición necesaria para que se produzca estos sobrevoltajes es que la resistencia dieléctrica de la trayectoria del arco crezca a mayor velocidad, después de cada extinción del arco, que la que tubo en la extinción anterior. Este fenómeno es más común en el aire entre los contactos estacionarios porque esta trayectoria, para el arco no es capaz de desarrollar suficiente recuperación de la capacidad dieléctrica. También ocurre en áreas cerradas donde la presión del gas se incrementa después de cada período de conducción.
8. Costos. La diferencia de costos entre sistemas con el neutro aterrizado o aislado varía dependiendo del método de aterrizaje, del grado de protección que se desea y si el sistema que se va a aterrizar es nuevo o ya existe. La decisión para convertir un sistema aislado en aterrizado depende de la decisión de limitar los sobrevoltajes transitorios. Los sistemas antiguos tienen degradados los aislamientos, por la edad, las condiciones atmosféricas y los sobrevoltajes que han sufrido; por lo tanto están más expuestos a fallas y en el costo para convertirlos en aterrizados puede ser mucho menor que el costo de reparar cables, motores o transformadores si no se hace el cambio.
9. Tendencias en la aplicación de sistemas aterrizados. Las razones básicas para aterrizar los sistemas son:

1. Limitar la diferencia de potencial eléctrico entre todos los objetos conductores aislados.
2. Separar los equipos y circuitos que fallan, cuando se produce la misma
3. Limitar los sobrevoltajes que aparecen en el sistema en diferentes condiciones.

Selección De Los Puntos De Toma De Tierra Del Sistema

1. Tierra en cada nivel de voltaje. Los transformadores delta-estrella o estrella-delta bloquean efectivamente, el flujo de corriente de secuencia cero entre sistemas. Por lo tanto, debemos aterrizar en cada nivel de voltaje, para aprovechar las ventajas del aterrizaje del neutro en todas las partes de los sistemas. Cada nivel de voltaje se puede aterrizar en: el neutro del generador, el neutro del banco de transformadores de potencia o el neutro del transformador de tierra. Cualquier generador o transformador que se use para aterrizar, debe permanecer conectado al sistema, siempre. Se deben aterrizar varios generadores o transformadores, para garantizar que siempre se tenga, por lo menos, una conexión a tierra del sistema.

   Otras desventajas de aterrizar en las cargas son:

   1. Las subestaciones unitarias estándar de bajo voltaje tienen el primario en delta, entonces hay que agregar transformadores para aterrizar
   2. Como la corriente de falla depende del número de alimentadores o puntos de aterrizaje en operación, tendremos muchas variaciones que dependerán de las condiciones de operación del sistema. Esto dificulta el relevo selectivo y puede demandar relés direccionales de tierra adicionales para evitar disparos falsos de alimentadores sin problemas.
   3. Los embobinados de muchos motores no se diseñaron para soportar las fuerzas desbalanceadas asociadas con las fallas a tierra.
2. Aterrizaje en la fuente de potencia y no en la carga. No se recomienda que el sistema se aterrice en el neutro del lado de la carga de los transformadores estrella-delta o de los motores conectados en estrella. La principal desventaja es que para garantizar de que el sistema permanece aterrizado, cuando una o más cargas salen de servicio, se deben aterrizar varias de esas cargas, sino todas.
3. Aterrizar cada una de las barras alimentadoras más grandes. Si hay dos o más barras alimentadoras, cada una debería tener, por lo menos, un punto del neutro aterrizado. Esto es porque se puede interrumpir el circuito de interconexión. Si hay dos o más fuentes de potencia por barra, se debe prever el aterrizaje de dos fuentes en cada barra, por lo menos.
4. Disposición del circuito neutro. Después de seleccionar el método de aterrizaje y punto de conexión a tierra, el siguiente paso es determinar: ¿Cuántos puntos de generador o transformador se aterrizaran? Y además, ¿Se conectará cada neutro independientemente a tierra? o ¿Se establecerá una sola barra neutro con una sola conexión a tierra?
5. Fuente de potencia sencilla. Se puede conectar el neutro de la fuente directamente a tierra o a través de impedancia en el neutro. No se necesita interruptor o "circuit breaker" para abrir el circuito del neutro. Tampoco interesa que el neutro se mantenga aislado cuando se le da servicio al generador o el transformador. De todas maneras, el equipo de interrupción del neutro incrementaría, excesivamente, el costo del aterrizaje.
6. Varias fuentes de potencia. Cuando hay dos o tres generadores o transformadores de potencia, se usan impedancias individuales en el neutro. Cada neutro de cada fuente se conecta directamente a su impedancia, sin que intervenga algún equipo de conexión o desconexión. Por seguridad para el personal, es mejor usar "circuit breakers" en instalaciones interiores. Si se usan interruptores de desconexión, como los que se ocupan en instalaciones exteriores, se deben instalar en alto o encerrados en cajas metálicas y con enganche para prevenir que no lo operen, excepto cuando los primarios, los secundarios, los generadores y sus circuitos de campo se encuentren desconectados.

2. Unidad II: equipo de puesta a tierra

Generalidades: El equipo de puesta a tierra, en contraste con los sistemas de puesta a tierra, se refiere a la forma en que los materiales conductivos, no eléctricos, que encierran a los conductores adyacentes a ellos, se interconectan y se aterrizan.

Los objetivos básicos que se buscan son los siguientes:

1. Asegurar que las personas en el lugar estén libres de riesgos de choques eléctricos de voltaje peligrosos.
2. Suministrar capacidad de conducción de corriente, tanto en magnitud como en duración adecuada para aceptar la corriente de falla a tierra que permite el sistema de protección de sobre corriente sin provocar fuego o explosiones.
3. Contribuir al excelente funcionamiento y óptimo del sistema eléctrico

Las estadísticas de accidentes en la industria eléctrica presentan evidencias claras de que muchos de los daños personales los provocan los choques eléctricos, como resultado de contacto con los elementos metálicos, que normalmente no están energizados y que se esperan que permanezcan "no energizados". Estos daños se podrían eliminar usando un equipo efectivo de puesta a tierra.

Cuando hay contacto "no intencional" entre un conductor eléctrico sin energía y la armazón o estructura metálica que lo encierra (o que está adyacente), la armazón o estructura tiende a energizarse al mismo nivel del voltaje que existiera en el conductor energizado.
Para oponerse a esta tendencia y para evitar la exposición accidental a un choque peligroso de voltaje, el conductor de puesta a tierra del equipo debe ofrecer una trayectoria de impedancia baja, desde la armazón hasta la referencia de potencia cero en la unión en al entrada de la fuente o de servicio.
La impedancia del conductor de puesta a tierra debe ser suficientemente baja como para aceptar la magnitud total de la corriente de falla a tierra, sin provocar una caída de voltaje IZ peligrosa. Está cloro que el factor determinante para las características del conductor, será el valor de la corriente de falla del sistema de suministro.

Además de buscar que el peligro de exposición al choque eléctrico por voltaje sea bajo, el conductor de puesta a tierra debe funcionar conduciendo la corriente total de la falla a tierra (en magnitud y duración) sin elevar excesivamente la temperatura o sin causar la expulsión de chispas o arcos que puedan iniciar un incendio o una explosión.

El resumen de los reclamos a las compañías aseguradoras indica que uno de cada siete incendios en establecimientos industriales, tiene su origen en el sistema eléctrico.

Aunque, también es cierto, que estos informes contienen algunas responsabilidades injustificadas en la categoría de alambrado defectuoso, la mayoría de incendios se produce por dificultades en la operación del sistema eléctrico. Sin embargo, se pueden reducir los riesgos de incendio, con el desarrollo y la adopción de métodos más efectivos en el equipo de puesta a tierra de los sistemas.

Conexión a tierra.
En la literatura técnica se manejan dos términos: "ground" (tierra o masa) y "earth" (tierra o planeta) que se parecen mucho, pero que realmente no son lo mismo.
El sistema eléctrico de un avión en vuelo tendrá una barra de tierra, conductor de puesta a tierra, etc., obviamente aquí no funciona el planeta tierra. Para un electricista que trabaja en un décimo piso de un edificio, su referencia de tierra es la estructura del edificio. Si el trabajador se traslada al primer piso, donde el concreto descansa sobre el suelo, o al suelo de una subestación abierta, su referencia apropiada de tierra es el planeta para evitar peligrosos choques de voltaje.
En realidad el planeta tierra en un conductor eléctrico pobre o malo, cuya resistividad es unas mil millones de veces más grande que la del cobre. Una varilla de 8 pies (2.44 m) y ¾ de pulgada (19.05 mm) de diámetro, enterrada en tierra puede representar una conexión a tierra de 25 ohmios.

Esta resistencia se forma por la combinación en serie de cilindros concéntricos de tierra y del mismo espesor. El cilindro interior es el que tiene mayor resistencia, por lo tanto es más importante. La mitad de los 25 ohmios estarán en un cilindro de 1 pie (0.3 m) de diámetro. Por la misma razón, la mitad de la caída de voltaje que resulte de la inyección de corriente en este electrodo de tierra podría aparecer entre los primeros 0.5 pies (0.15 m) de la superficie de la tierra radialmente desde el electrodo.

Si la corriente es de 1,000 amperios, el electrodo subirá su voltaje, con respecto al potencial de tierra hasta:

(1,000)(25)=25,000 voltios

La mitad de este voltaje (12,500 voltios), aparecería como caída de voltaje entre el electrodo y la tierra colocada a sólo 0.5 pies (0.15 m) desde el electrodo.

Si una persona se para 0.5 pies (0.15 m) y toca el electrodo, recibirá este potencial.

ES = potencial de la superficie de la tierra
d = distancia radial desde la barra

Figura 1. Potencial de la superficie de tierra alrededor de una barra de tierra cuando fluye corriente.
La seguridad se mejora colocando grava con buen drenaje en el piso. En los interruptores de operación manual se colocan rejillas metálicas conectadas a la estructura metálica del interruptor para asegurar que las manos del operador y sus pies estén al mismo potencial.

Aparatos terminales:
La función de aterrizar los equipos, en los aparatos terminales, es solo para conectar las partes metálicas, no eléctricas, de las cajas en que se encuentran en los aparatos terminales o que se encuentren adyacentes a cables con energía, con el conductor de aterrizaje.

Figura 2. Patrones típicos de conductores de la fuente de circuitos de potencia para uso en aparatos con énfasis en la distribución entre conductores de aterrizaje y aterrizados

Figura 3. Conexiones ideales para equipo electrónico delicado

3. Unidad III: Aterrizaje de protección contra cargas estáticas y rayos

Aterrizaje de cargas estáticas
La acumulación de cargas estáticas en el equipo o materiales que se están procesando y sobre el personal de operación produce un potencial serio en los lugares en los que se encuentran líquidos o gases inflamables, fibras o desperdicios.
El principal objetivo del control de las cargas estáticas es la protección de la vida humana. El peligro a la vida no es sólo por los incendios o explosiones, sino también, por los choques eléctricos.
La electricidad estática se genera cuando se generan los electrones, al poner en contacto dos materiales diferentes y luego separarlos. Lo que ocurre es que los electrones de un material atraviesan la barrera de separación y los protones, en igual número, permanecen en el cuerpo. Cuando los cuerpos se separan, los electrones producen cargas estáticas sobre los objetos separados, que se manifiestan como un incremento en el potencial eléctrico entre las dos superficies.
La generación de electricidad estática no se puede prevenir, pero se puede mitigar y controlar dando medios para juntar las cargas que se separan, tan rápidamente como se producen y antes de alcanzar los niveles de chispeo. Los métodos que se usan son:

1. Aterrizaje y conexión. Muchos problemas de estática se pueden resolver uniendo las diferentes partes del equipo y aterrizando el sistema completo. La unión entre dos o más objetos conductores reduce la diferencia de potencial entre los objetos conductores para prevenir la chispa entre los dos cuerpos.
2. Control de humedad. Muchos materiales aislantes como: cuero, madera, papel o concreto, contienen cierta cantidad de humedad en equilibrio con el aire que les rodea. Esta humedad o humedad relativa controla la conductividad de la superficie de estos materiales aislantes. A mayor humedad, mayos conductividad. Cuando la humedad relativa es de 30% o menos, los mismos materiales se secan y se convierten en buenos aisladores; se comienzan a notar las manifestaciones estáticas y se pueden generar chispas estáticas. Sin embargo, se cree que cuando la humedad relativa se mantiene entre el 60% – 70% a temperatura interior ordinaria, las acumulaciones estáticas no alcanzan proporciones peligrosas.
3. Ionización. En el proceso de ionización, las moléculas de aire están sobre-tensionadas, los electrones se separan de sus moléculas. Los electrones son negativos y las moléculas quedan con cargas positivas. Cuando un cuerpo cargado se pone en contacto con aire ionizado, la carga estática se disipa. La carga se lleva a tierra, a través del aire ionizado, o bien, el cuerpo cargado atrae suficientes iones cargados positiva o negativamente, desde el aire, hasta que se neutraliza.
4. Pisos conductivos. Cuando se tienen condiciones extremadamente peligrosas, como en la fabricación de explosivos o con vapores inflamables enriquecidos con oxígeno o mezclas de gases susceptibles de ignición estática, se deben colocar pisos conductivos o cubiertas conductivas para prevenir la acumulación de carga estática, aterrizando al personal y a los objetos conductivos, porque el cuerpo humano puede acumular carga estática peligrosa en ambientes secos.
5. Calzado y rodos conductivos. Se usan en combinación con el piso conductivo. El equipo móvil debe tomar contacto directamente con el piso o a través de los rodos conductivos de hule. Se debe verificar su resistencia siempre, antes de entrar a las áreas de trabajo.
6. Precauciones especiales. Además de los pisos y calzado conductivos, se pueden considerar otros controles como: usar ropa que produzcan estática baja, establecer procedimientos rígidos de operación, uso de tapetes conductivos de hule en lugares donde no hay piso conductivo.

Aterrizaje para protección contra rayos.

El rayo es la descarga de celdas de potencial alto (generalmente negativas), entre nubes y la tierra. Estas celdas cargadas en las nubes atraen cargas opuestas sobre la superficie de la tierra, directamente debajo de ellas.

Cuando la carga de la celda alcanza un nivel crítico (cuando se rompe el aislamiento entre la nube y la tierra), se establece una trayectoria ionizada escalonada, frecuentemente a tierra, produciendo una corriente elevada de descarga (de golpe), que neutraliza momentáneamente las cargas de las nubes y tierra.
La corriente aumenta desde cero hasta un máximo, en un tiempo de 1 a 10 microsegundos, luego declina a la mitad del valor pico en un tiempo de 20 a 1,000 microsegundos.
Esta descarga se puede repetir una o varias veces, sobre la misma trayectoria, en sucesión rápida, como resultado de la recarga de la celda original, debido a descargas internas que proceden de celdas vecinas.
El promedio de la corriente pico de golpe es cerca de 20,000 amperios, aunque en algunos casos se han detectado corrientes de hasta 270,000 amperios.
El punto en que se producen las descargas, generalmente es un punto elevado, como: un árbol, un edificio, una línea de transmisión y sus torres o alguna estructura elevada similar.
El retorno a tierra de esas cargas se conoce como descargas inducidas y puede alcanzar varios cientos de amperios, puede dañar algunos materiales sensibles, como los inflamables o explosivos.
Es necesario atender un grupo de factores para definir si se necesita protección contra descargas eléctricas, estos son:

1. Peligros al personal
2. Posibles pérdidas de producción, incluyendo pérdidas indirectas y secundarias
3. Posibles daños y costos de reparación
4. Efecto de los castigos de las compañías aseguradoras
5. Valor y naturaleza de la estructura y sus partes
6. Frecuencia de los truenos y los rayos (mapa isoceráunico)
7. Número y severidad de los rayos por tormenta, en promedio
8. Costo de la protección

El orden de estos factores está, aproximadamente, en el orden de importancia, aunque en algunos casos este orden puede cambiar.

¿Cómo y por qué se producen rayos?
(http://www.oei.org.co/sii/entrega21/art01.htm#aa)
Cuando llueve sobre la superficie terrestre, se produce evaporación natural (causada por el fenómeno de la convección), llevando hacia arriba gotas de agua, es decir, H2O. Mientras tanto, a una altura de 2,5 a 3 kilómetros donde la temperatura es de 15 a 20 grados centígrados bajo cero, se producen partículas de hielo que caen por gravedad y que chocan con las gotas de agua que suben por la evaporación. Estas fricciones y colisiones producen separación de cargas eléctricas (disociación), y se genera un campo eléctrico, es decir, fuerzas que se ejercen entre cargas, hasta que llega el momento en que se dan transferencias de cargas, conocidas como rayos.

Se puede definir el rayo como una transferencia de carga entre la nube y la tierra y entre la tierra y la nube, que también se puede dar dentro de una nube, o entre nubes, o de la nube hacia la ionosfera, fenómeno este último descubierto hace menos de diez años por la NASA. Esto quiere decir que al mismo tiempo que un rayo comienza a bajar, hay otro rayo que comienza a subir desde la nube, el cual es conocido como "chorro azul" por su color. Se calcula que estos rayos suben de 80 a 90 kilómetros, con un diámetro superior a 10 kilómetros, y cuando están arriba, se dispersan como una fuente, tomando el color rojo, por lo que se conocen con el nombre de "dispersión roja".
Lo que hoy se conoce científicamente como rayo nube-tierra tierra-nube se debe a que cuando el rayo que baja de la nube está muy cerca de llegar a la tierra (a unos cien metros), se produce un rayo de la tierra hacia la nube, tal como sucede al frotar una peinilla y acercarla a unos pedazos de papel que suben hacia la peinilla antes de que ésta llegue a ellos. Los investigadores advierten que una persona puede producir rayos hacia arriba si está muy cerca de un rayo que baja. En el encuentro entre el rayo que baja hacia la tierra y el que sube desde la tierra se produce un choque térmico, causado por un fenómeno de plasma, es decir, una alta temperatura (que puede llegar a 30.000 grados centígrados) durante la cual se ioniza complemente el aire.

Además de los rayos nube-tierra y tierra-nube, cuando el rayo comienza a bajar de la nube hacia la tierra, simultáneamente otro rayo sube de la nube hacia la ionosfera (chorro azul y luego dispersión roja), lo que muestra qué pocos sabemos de los rayos, ya que simplemente observamos un relámpago y escuchamos un trueno, y creemos que sólo eso sucede.
Hoy el rayo, dada su complejidad, se puede medir con 20 parámetros aproximadamente. Algunos de estos parámetros son: número de días tormentosos año, densidad de rayos a tierra, magnitud de la corriente, forma de onda, polaridad, multiplicidad, corriente de retorno, impedancia del canal, y otros.

Reglas de seguridad en caso de tormentas eléctricas.
(http://www.lightning.org/safety.htm)
Los rayos matan anualmente en Estados Unidos a aproximadamente unas mil personas y lastiman a miles de personas más. El hecho de conocer los procedimientos a seguir en caso de tormenta eléctrica puede salvar vidas.

Los rayos tienden a seguir la ruta de menor resistencia hacia tierra y con frecuencia esta trayectoria se encuentra en objetos altos o metálicos. En determinados casos un objeto "alto" podría ser un edificio, una torre, una casa o un niño sentado en una cancha de fútbol. Así que se previene: "Los rayos pueden golpear, y de hecho lo harán, a cualquier objeto que se encuentre en su trayectoria".
Se deben tomar algunas precauciones durante las tormentas eléctricas ya sea que se encuentra a la intemperie o no.
El Instituto de Protección Contra Rayos (The Lightning Protection Institute) sugiere seguir una serie de procedimientos básicos para asegurar la máxima protección de las personas.

Bajo techo.
Manténgase alejado de las ventanas, puertas y aparatos eléctricos
Desconecte siempre los aparatos eléctricos antes de una tormenta eléctrica. Nunca lo haga durante
Evite el contacto con tuberías de agua incluyendo drenajes, regaderas y grifos
No utilice el teléfono, excepto en emergencias

A la intemperie.
Refúgiese dentro de un auto con capota
Nunca utilice un árbol como refugio
Evite áreas elevadas
Manténgase alejado de objetos metálicos incluyendo bicicletas, maquinarias o cercas.
Evite permanecer cerca de objetos altos.
Aléjese inmediatamente de piscinas, lagos o cualquier otro cuerpo que contenga agua.
Sepárese de las aglomeraciones de personas
Si llega a sentir alguna sensación de electricidad o se le paran los cabellos, es bastante probable que un rayo esté a punto de caer. Agáchese con los pies juntos inmediatamente y tápese los oídos. Nunca se acueste o ponga las manos en el suelo}
Las personas que sufran una descarga eléctrica deben recibir respiración cardio – bascular, y buscar atención médica.

Punto Común De Aterrizaje
Al elaborar diferentes sistemas independientes de toma de tierra, se forma una resistencia interna entre los diferentes sistemas, durante una falla a tierra del sistema de potencia o, en el peor de los casos, durante una descarga atmosférica se registran corrientes de gran intensidad en las vecindades del polo de puesta a tierra. A estas corrientes se les denomina corrientes extraviadas (Stray Currents).

Figura 4. Corrientes Extraviadas

Al encontrarse presentes las diferentes resistencias de los sistemas de puesta a tierra se crean diferencias de voltaje llegando a ser, muchas veces, superior al voltaje de alimentación, repercutiendo así en la destrucción de los equipos sensibles electrónicos.

Para evitar esta situación, se sugiere, unir todos los puntos de todos los sistemas aterrizados formando un solo punto (o rama) de aterrizaje (single point to ground), teniendo en cuenta el evitar curvaturas cerradas en el cable de aterrizaje del sistema del pararrayos.

Figura 5. Single Point to Ground. Ra=Rb=Rc=Rd=0

Prácticas de protección directa.
Fundamentalmente, la protección directa contra rayos (sistemas de protección contra rayos) consiste en terminales de aire o elementos desviadores que se colocan en la parte superior de la estructura que se quiere proteger y conectados a conductores de bajada adecuados, hasta unos electrodos de aterrizaje (al planeta).
El principio fundamental es que los conductores de bajada no deben tener partes con resistencia o reactancia elevadas y deben ofrecer la impedancia más baja posible a tierra.
No debe tener curvas pronunciadas o lazos para prevenir la reactancia del conductor. La estructura metálica se debe aterrizar para evitar la posibilidad de perforación que puede producir el golpe de la descarga.

Los terminales de aire que se agregan a las estructuras son barras sólidas puntiagudas o tubos de, por lo menos, 10 pulgadas (0.25 m) de longitud hasta unos 20 pies (6.1 m).
Cuando las estructuras se interponen entre tierra y las celdas, estas igualmente son cargadas. Estas estructuras reducen una porción del espacio de aire, y pueden detonar un rayo porque la estructura reduce una porción significante del espacio intermedio.
La neutralización de la carga (la "descarga") es causada por el flujo de electrones de un cuerpo a otro hasta que no haya diferencia de potencial entre los dos cuerpos. El efecto sería similar al que obtenemos al unir las dos terminales de una batería.

Figura 6. Neutralización de la carga (descarga)

Sistemas De Prevención
Sistemas de Arreglo de Disipación
El relámpago es el proceso de neutralización del potencial entre la nube base y la tierra.
Algún sistema de prevención de la descarga, podría facilitar ese proceso en una forma lenta y permanente. El sistema de arreglo de disipación ha sido diseñado para prevenir las descargas de los rayos para proteger, tanto un área determinada como para protegerse él mismo. El componente principal del arreglo es el ionizador y el electrodo químico de aterrizaje

Figura 7. Sistema de Arreglo de Disipación

Para prevenir la descarga en un área dada, el sistema debe ser capaz de reducir el potencial entre el sitio y la nube celda, así este potencial no sería lo suficientemente alto como para provocar una descarga dentro del área. Es decir, el sistema debe drenar las cargas inducidas a niveles en los cuales la descarga no se realizará.

Supresores de fuentes de voltajes transitorios
Las anomalías en el voltaje de las líneas de alimentación son la causa más grande de destrucción de equipo electrónico día a día. Estas anomalías pueden ser prevenidas o disminuidas en la subestación eléctrica, en las líneas de distribución, a la entrada de las instalaciones o en las líneas internas de alimentación. Un sistema de protección debe prevenir tanto perdidas instantáneas como fallas catastróficas, y proteger la confiabilidad del sistema.

4. Unidad IV: Medición de la resistencia a tierra

Los ohmiómetros ordinarios no tienen suficiente voltaje y no distinguen la resistencia del aterrizaje de la resistencia de los electrodos que se ocupan para efectuar la medición.
La precisión en la medición es difícil y generalmente no se exige. Se acepta una exactitud de ± 25%, a consecuencia de la gran cantidad de variables que intervienen.
Es conveniente que cuando se hace la medición de la resistencia de un sistema completo, se deje transcurrir cierto tiempo para que la tierra alrededor de los electrodos se consolide. Esto no se necesita para los electrodos de prueba auxiliares porque su resistencia se descuenta durante la prueba.
Se deben efectuar pruebas periódicas para verificar si la resistencia permanece constante o aumenta. Si esta aumenta a valores muy altos, se debe pensar en instalar electrodos adicionales, incrementar el contenido de humedad o darle tratamiento químico.

Medidor De Resistencia De Tierra Digital

(http://www.aemc.com)

Existen dos tipos de medidas de resistencia de tierra; el método de dos y cuatro puntos. El método de los dos puntos consiste en medir una simple resistencia entre los dos puntos. Para la mayoría de las aplicaciones, el método más exacto en es de los cuatro puntos, como su nombre lo indica, requiere la inserción de cuatro electrodos de tierra en línea y a igual distancia dentro del área de prueba. Una corriente conocida generada, desde un transformador de corriente, es pasada entre los dos electrodos de salida. La caída de potencial (que es función de la resistencia) es entonces medida a través de los dos electrodos de entrada, la lectura se obtiene directamente en ohmios.

Figura 8. Medidor de Tierra Digital

El Código Eléctrico Nacional (NEC) establece que la resistencia a tierra no debe exceder los 25 ohmios. Este límite superior es una directiva, pero para muchas instalaciones los valores de resistencia requeridos pueden ser mucho menores.

Tenaza Medidora De Resistencia A Tierra

Este método de medida es innovador. Ofrece la capacidad de medir la resistencia sin necesidad de desconectar el sistema de tierra. Este tipo de mediciones ofrece también la ventaja de incluir las conexiones de resistencia global de aterrizamiento.

Principio de operación. Usualmente, una línea de distribución de un sistema aterrizado puede ser representada como el diagrama de la figura 9 o un circuito equivalente mostrado en la figura 10. Si el voltaje E es aplicado a algún electrodo de tierra Rx, a través de un transformador especial, la corriente que fluye a través del circuito, por esa razón se establece la siguiente ecuación.

Figura 9

Figura 10

donde, usualmente

Por consiguiente, se establece que E/I = Rx. Si I se determina manteniendo E como una constante, se puede obtener la resistencia medida de los electrodos enterrados. La corriente inducida es alimentada a un transformador especial a través de un amplificador de potencia desde un oscilador de voltaje constante a 1.7 KHz. Esta corriente es detectada y amplificada por un filtro amplificador. Esto ocurre antes de la conversión analógica / digital y después de la rectificación de la sincronía. Entonces la lectura es mostrada en la pantalla de cristal líquido

5. Unidad V: Aterrizaje De Equipo Electrónico Sensible

El aterrizaje del equipo electrónico sensible, tales como computadoras, controladores lógicos programables, plantas de proceso, sistemas de control distribuido y equipo electrónico similar es uno de los aspectos más importantes para lograr una operación aceptable y útil.
Se ha aprendido mucho, no en como prevenir estas fuentes de interferencias, sino que en prevenir que entren en los sistemas de los equipos electrónicos sensibles. Con los medios disponibles en la actualidad, se puede eliminar el funcionamiento anormal y peligro de los voltajes transferidos a tierra.

Definiciones
Computadora. Se refiere, en sentido genérico, a todos los equipos electrónicos sensibles
Electrodo. Al contrario de la noción popular, la sección 250-81 del NEC establece la disposición de los elementos siguientes, se deben usar en ese orden y luego se deben unir entre ellos.
Tubería metálica subterránea de agua
Estructura metálica del edificio, que esté aterrizada efectivamente
Electrodo empotrado en concreto
Anillo de aterrizaje
La sección 250-83 establece que si la lista anterior no es accesible, entonces, y sólo entonces, se puede usar cualquiera de los siguientes:
Otros sistemas o estructuras subterráneas metálicas locales
Electrodos de varillas o tubos
Electrodos de placa
Neutro. El punto donde el potencial es igual, en amplitud, desde cualquier otro conductor. El término neutro también se refiere al "conductor identificado" del NEC.
Tierra Ruidosa. Una tierra ruidosa es una conexión eléctrica a un punto de tierra que produce o inyecta voltajes espurios en el sistema del computador a través de la conexión a tierra.
Tierra Quieta. Este término se usa en muchas instalaciones de computadoras y manuales de instrucción, artículos y otros documentos. El IEEE Std 100-1998 (ANSI) define "tierra quieta" en términos de instalaciones de cuidados de salud. Es un "sistema de conductores de aterrizaje, aislados de las partes de aterrizaje convencional de los sistemas de potencia, que interconectan los puntos de tierra de los aparatos eléctricos con el propósito de dar inmunidad al ruido electromagnético".
Referencia Cero. Generalmente se entiende que es tierra (masa) o el planeta Tierra. Desgraciadamente, tierra puede estar a potencial distinto de cero.
El NEC reconoce que los equipos sensibles, tales como: cajas registradoras, computadores, impresoras, etc. se pueden afectar adversamente con las corrientes que fluyen en los conductores comunes de aterrizaje de los equipos, como conduit, conductor o barra verde, aceros de edificios, etc.
Para reducir tales problemas, el NEC en la sección 250-74, excepción No. 4, permite que se lleve un conductor de aterrizaje aislado del receptáculo hasta el punto de aterrizaje del servicio de potencia eléctrica o al terminal aterrizado del sistema derivado separado para servicios de los receptáculos, este conductor se debe llevar en el ducto, canaleta o conduit, con los conductores que sirven la carga del receptáculo.

Figura 11. Instalación ideal según NEC sección 250-74, excepción 4

Figura 12. Instalación alternativa

Generalmente es un conductor verde con una banda amarilla. Este conductor no se debe conectar en cualquier barra de aterrizaje o punto común entre la carga del receptáculo y el lugar de aterrizaje básico.

 

 

Autor:

Ing. René Mauricio Sandoval Serrano

Ingeniero Electricista (Universidad Albert Eistein, 1996)
Maestría en Administración de Empresas (Instituto Superior de Economía y
Administración de Empresas, 2000)