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