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

Enviado por René Mauricio Sandoval Serrano

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

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.
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.
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.
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.
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.
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.
Sobrevoltajes de los sistemas de potencia.
Algunas de las fuentes de
sobrevoltaje más comunes en sistemas de potencia son las
siguientes:

Descargas eléctricas (lightning)
Pulsos de conexión y desconexión
(switching sources)
Cargas estáticas
Contacto con sistemas de alto voltaje
(HV®
LV)
Fallas de línea a tierra
Condiciones resonantes
Fallas a tierra con reencendido

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Tendencias en la aplicación de sistemas
aterrizados. Las razones básicas para aterrizar los
sistemas son:

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

Selección De Los Puntos De Toma De Tierra Del
Sistema

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.
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.
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.
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?
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.
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:

Asegurar que las personas en el lugar estén
libres de riesgos de
choques eléctricos de voltaje peligrosos.
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.
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:

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.
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.
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.
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.
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.
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:

Peligros al personal
Posibles pérdidas de producción, incluyendo pérdidas
indirectas y secundarias
Posibles daños y costos de
reparación
Efecto de los castigos de las
compañías aseguradoras
Valor y naturaleza de
la estructura y sus partes
Frecuencia de los truenos y los rayos (mapa
isoceráunico)
Número y severidad de los rayos por
tormenta, en promedio
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)