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Sistemas de puesta a tierra Por Ing. César Chilet León Objeto principal de la puesta a tierra Limitar la tensión que con respecto a tierra pueden presentar las masas metálicas, asegurar la actuación de las protecciones eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en el material utilizado.

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instalaciones electricas

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Page 1: p tierra

Sistemas de puesta a tierra

Por Ing. César Chilet León

Objeto principal de la puesta a tierra

Limitar la tensión que con respecto a tierra pueden presentar las masas metálicas,

asegurar la actuación de las protecciones

eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en el material utilizado.

Page 2: p tierra

Definiciones importantes

Tierra

Toma de tierra

Resistencia de toma a tierra

Red de tierra

Masa eléctrica.

Masa funcional

Masa de acompañamiento

Redes de masas funcionales

Tierra (profunda)

masa conductora del planeta que es la referencia de modo común de las instalaciones eléctricas,

Page 3: p tierra

Toma de tierra

toma de tierra: conductor en contacto directo con la tierra,

resistencia de la toma de tierra: resistencia entre el (o los) conductor(es) que constituyen la toma de tierra y la tierra profunda,

4

76

2

8

8

8

7

1

5

3

Red de tierra

conjunto de conductores de protección ligado a la toma de tierra.

INGRESO DE TENSIÓN

Conductor de cobrehacia las

instalacioneseléctricas

Tomacorrientes parael

sistema de fuerzacon toma a tierra

Tomacorrientes paraelectrodomésticoscon toma a tierra

Tomacorrientes paracomputadoras

con toma de tierra

Salida para alumbrado

Tablero general

Varilla de cobre

electrolítico

Tierra cernidacon

bentonita

Sal común

Electrobomba

POZO A TIERRA

Ubicación: Jardín

Medidas: profundidad 2.50 mts.

diámetro 1.00 mt.

DERIVA LAS DESCARGASELÉCTRICAS

DE LA INSTALACIÓN ELÉCTRICAEXTERIOR

A.-

B.-

C.-

D.-

Tanque de agua superior

Tanque de agua inferior

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Masa

masa eléctrica: parte conductora de un equipo eléctrico que puede quedar con tensión cuando se produce un defecto de aislamiento.

Masa

masa funcional: parte conductora de un material electrónico que tiene una misión de pantalla y frecuentemente de referencia de potencial (0 voltios).

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Masa

masa de acompañamiento: estructura de masa o conductor, tal como una plancha mallada, un electrocanal metálico o un blindaje, que acompañan de principio a fin a un cable de señal al que protegen para conseguir reducir los acoplamientos electromagnéticos (HF) o comunes.

Red de masas funcionales

conjunto de conductores de masa de acompañamiento y de estructuras conductoras de los edificios que tienen la misión de equipotencialidad y de pantalla frente a las perturbaciones.

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Diferencia de funciones

un sistema de tierra tiene la misión de protección de personas (60 Hz) y

el sistema de masas tiene una misión funcional en la transmisión de información y la lucha contra las perturbaciones electromagnéticas.

Funciones básicas

Las funciones básicas de un sistemade puesta a tierra son:

1. Seguridad personal.2. Desconexión automática.3. Control de tensiones.4. Transitorios.5. Cargas estáticas.6. Equipo electrónico.

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Seguridad del personal

La conexión de los equipos eléctricos al sistema de aterramiento debe permitir que, en caso ocurra una falla en el aislamiento de los equipos, la corriente de falta pase a través del conductor de aterramiento en vez de recorrer el cuerpo de la persona que eventualmente estaría tocando el equipo.

Seguridad del personal

Con aterramiento la corriente prácticamente no circula por

el cuerpo.

Sin aterramiento el único camino es el cuerpo.

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Desconexión automática

El sistema de aterramiento debe ofrecer un recorrido de baja impedancia de retorno por tierra a la corriente de falla, permitiendo, asimismo, que haya la operación automática, rápida y segura del sistema de protección.

Desconexión automática

Dispositivo de protección

Page 9: p tierra

Desconexión automática

Control de tensiones

El aterramiento permite un control de las tensiones desarrolladas no solo (paso, toque y transferida) cuando un cortocircuito fase a tierra retorna por la tierra a la fuente próxima o cuando ocurre una descarga atmosférica en el local.

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Tensiones peligrosas causadas por la falla a tierra

UP

UT

UP

UE

UT : tensión de toqueUP : tensión de pasoUE : tensión a tierra

Transitorios

El sistema de aterramiento estabiliza la tensión durante transitorios en el sistema eléctrico provocados por fallas a tierra, conmutaciones, etc,

Page 11: p tierra

Cargas estáticas

El aterramiento debe descargar las cargas estáticas acumuladas en estructuras, soportes y carcasas de equipos en general.

Equipos electrónicos

Específicamente para los sistemas electrónicos, el aterramiento debe suministrar un plano de referencia fijo, sin perturbaciones, de tal modo que el pueda operar satisfactoriamente tanto en altas como en bajas frecuencias.

No se puede mostrar la imagen en este momento.

Page 12: p tierra

Requisitos mínimos

Resistencia debe ser el adecuado para cada tipo de instalación.

La variación de la resistencia debida a cambios ambientales debe ser mínima.

Vida útil mayor de 20 años.

Resistente a la corrosión.

Permitir su mantenimiento periódico.

Cumplir con normas y especificaciones.

Cálculo de la resistencia de puesta a tierra

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Situación de las puestas a tierra

Vc

R T =

0 (Ohm)

00 ( Ohm )

V C = 0 V

V C= 2 2 0 V

VS / ( Ia )

VC = 25 V

VC = 50 V

Cálculo de un sistema de puesta a tierra

Para lograr los objetivos propuestos para un sistema de puesta a tierra de protección, se tienen que cumplir los siguientes requerimientos :

Rt =Ia

50

50 V :Tensión de seguridad

Rt : Resistencia a tierra en (Ohm)

Ia : Corriente de operacion del protector (A)

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Cálculo de un sistema de puesta a tierra

Ejemplo :Se tiene un sistema con los siguientes parámetros:

VS = 50 V ; Ia = 25 A

50 (V )RTP = = 2.0 (Ohm)

25 ( A)

Aspectos importantes para la fabricación del pozo

de puesta a tierra

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Sistema de puesta a tierra

SUELOCONJUNTO DE

ELECTRODOSRT

Características geoeléctricas del suelo

Mecanismo de conducción Los suelos están compuestos principalmente, por óxidos de Silicio y óxidos de Aluminio que son muy buenos aislantes; sin embargo la presencia de sales y agua contenida en ellos, mejora notablemente la conductividad de los mismos

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Unidad de medida

LA RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS:La resistividad de los suelos se expresa en Ohm-m que corresponde a la resistencia que presenta un cubo de 1 metro cúbico de Suelo o Aguas, entre sus paredes laterales . Ohm

1 m

1m3

Factores de la resistividad

Factores que determinan la resistividad () de los suelos :

Naturaleza de los Suelos.La Humedad.La Temperatura.La Concentración de Sales disueltas.La Compactación del terreno.

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Naturaleza de los suelos

VALORES CARACTERÍSTICOS DE LA RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS :

TIPO DE SUELO O AGUA VALOR DE RESISTIVIDAD

TÍPICO (Ohm- m )

Agua de Mar 2

Arcilla 40

Aguas subterráneas 50

Arena 2.000

Granito 25.000

Hielo 100.000

La humedad

La resistividad que presenta un terreno esta en directa relación a los porcentajes de humedad contenida en el ; el siguiente gráfico muestra la variación de resistividad, en una muestra de arcilla roja , con el porcentaje de humedad contenida

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La humedad

Debe buscarse lograr una humedad de tipo permanente y de valores 30 a 35%. Valores superiores inciden muy poco, pero por debajo de 20% se incrementa mucho la resistencia de tierra.

La humedad

Page 19: p tierra

La temperatura

La resistividad de los suelos, también depende de la temperatura.La incidencia de la temperatura es mínima a valores superiores a 0ºC, por debajo de 2 a 3ºC bajo cero crece mucho.

La temperatura

Temp. ( ° C )

Rh

o (

Oh

m -

m)

0 ° C

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Concentración de sales

La Concentración de Sales disueltas:Al presentarse una mayor concentración de sales disueltas en un terreno , mejora notablemente la conductividad .

Concentración de sales

(O

hm

-m

)

% de Sal2%

SO4Cu

SO4Na

ClNa

NH2ONa

SO4H2

0.4

0.8 1.2 1.6 2.0

H2O

Page 21: p tierra

Compactación del terreno

En el siguiente gráfico se muestra cualitativamente la influencia de la compactación del suelo , en la variación de la resistividad

Compactación del terreno

Compactación

(O

hm

-m

)

2%

W (% Humedad)

W1

W2

W3

Page 22: p tierra

Configuración geométrica

CONFIGURACIÓN GEOMÉTRICA DE LASPUESTAS A TIERRA

El otro factor relevante en todo sistema de puesta a tierra , es el de los electrodos a tierra y de la configuración geométrica, en que éstos se disponen.

Electrodos verticales (barras)

a : Radio de la barra (m)

R : Resistencia a tierra de la barra ( Ohm )

L : Longitud de la barra (m)

Rhoe : Resistividad equivalente del terreno (Ohm - m)

Rho e 2*L

R = ---------- Ln --------

2 TI L a L

Page 23: p tierra

APLICACIÓN

Determinar la resistencia de puesta a tierra , de una barra , en las siguientes condiciones

L = 2.0 (m) ; Rhoe = 100 ( Ohm - m )

a = 0.008 (m)

Solución :Rho e 2*L 100 2 * 2

R = -------- Ln ------ = --------------- Ln ---------2 TI L a ( 2* 3.14* 2) 0.008

R = 49.45 ( Ohm )

Coeficiente de reducción para jabalinas en paralelo

Colocar varias varillas en paralelo es una manera muy efectiva de bajar la resistencia.

Las varillas no deben ser colocadas muy cerca, porque cada varilla afecta la impedancia del circuito.

Nº dejabalinasen paralelo

2 3 4 5 6 7 8 9 10

K 0,57 0,42 0,33 0,27 0,24 0,21 0,19 0,17 0,15

Page 24: p tierra

Conductores horizontales

d : Diámetro del conductor (m).

R: Resistencia a tierra del conductor ( Ohm ).

L: Longitud del conductor (m).

Rhoe: Resistividad equivalente del terreno (Ohm-m)

h : Profundidad de enterramiento (m).

2 Rho e L

R = ---------- Ln --------2 TI L d * h

L

APLICACIÓN

Determinar la resistencia de puesta a tierra, de un conductor horizontal, en las siguientes condiciones:

L = 50(m) ; Rhoe = 100 ( Ohm - m )

d = 0.0022 (m) ; h = 0.6 (m)

Solución :2 2

Rho e L 100 50R = ---------- Ln -------- = ------------------ Ln ---------

2 TI L d * h (2 * 3.14 * 50) ( 0.0022 * 0.6)

R = 4.6 ( Ohm )

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Malla a tierra( METODO APROXIMADO DE LAURENT )

r : Radio medio de la malla (m)

R : Resistencia a tierra de la malla ( Ohm )

L : Longitud del conductor de la malla (m)

Rhoe: Resistividad equivalente del terreno (Ohm - m)

Rho e Rho e

R = --------- + --------4 * r L

3 m

APLICACION

Determinar la resistencia de puesta a tierra , de una malla, en las siguientes condiciones:

100 100R = --------- + -------- = 14.16 (Ohm)

4 * 2.39 27

Rho e Rho eR = --------- + --------

4 * r L

Rho e = 100 (Ohm-m)

6 m

Page 26: p tierra

CONCLUSION

A la luz de los antecedentes expuesto , se puedeafirmar :

No todos los terrenos son eléctricamente iguales.

En un mismo terreno, cada sistema de electrodosde puesta a tierra, da origen a valores de resistenciadiferentes.

No existe una solución única al problema de laspuestas a tierra, cada situación es particular y porlo tanto se debe asumir como tal.

Mantenimiento

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Para conservar y mantener el valor de la resistencia de puesta a tierra, hay que conservar el contacto electrodo-terreno y sobre todo, vigilar la resistividad del terreno.

Prácticas de mantenimiento

Mantenimiento

La resistividad del terreno, como se expuso anteriormente, se ve afectada por muchos factores, principalmente la humedad y la salinidad.

En le primer caso, regando periódicamente los electrodos es suficiente.

En el segundo caso, es un poco más complejo.

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Mantenimiento

Para aumentar la concentración de sales en el terreno y, por lo tanto, disminuir artificialmente la resistividad, hay que tratar un volúmen importante de terreno alrededor del electrodo.

Los métodos más utilizados son: Tratamiento con sales.

Tratamiento con geles.

Tratamiento por abonado electrolítico del terreno.

Tratamiento con sales

En una excavación poco profunda, alrededor del electrodo, se entierra sal (cloruro de sodio, carbonato de soda, sulfito de cobre, sulfito de magnesio, etc.) y se riega.

La infiltración del agua en el terreno distribuye las sales.

Debido al lavado permanente que realiza la lluvia al penetrar en el terreno, este tratamiento se debe repetir periódicamente.

El tratamiento suele durar como máximo 2 años.

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Tratamiento con geles

Este tratamiento consiste en formar dentro del terreno un gel cuyo arrastre por el agua de lluvia es mucho más lento que el de las sales.

El procedimiento normal de actuación es introducir en el terreno dos componentes a la vez, que allí se combinan y forman el gel.

El tratamiento suele durar 6 a 8 años.

Tratamiento por abonado electrolítico

El procedimiento consiste en aumentar la cantidad de electrolitos dentro del terreno.

El procedimiento comúnmente utilizado es sulfato de calcio, convenientemente tratado y estabilizado.

La duración eficaz de este tratamiento se encuentra entre 10 y 15 años.

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Medición de la resistencia

Medición del sistema de tierra

La medición de resistencia a tierra de electrodos es una técnica que requiere conocer aparte del método de medición, algunos factores que afectan los resultados de las mediciones, y que son:

1. El tipo de prueba.2. El tipo de aparato empleado.3. El lugar físico de las puntas de prueba

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Tipo de prueba

Existen dos tipos de pruebas fundamentalmente. Las demás son variaciones de éstas. Aunque muy parecidas, los resultados de las mediciones no son exactamente los mismos.

Los métodos son:1. Método de caída de potencial, llamado

también método de tres puntos, 62%, etc.2. Método directo, también conocido como dos

puntos.

Tipo de aparato

No todos los aparatos de medición de resistencia a tierra trabajan de la misma manera. Existen diferencias muy marcadas en el tipo de corriente empleada.

A manera de ilustrar estas diferencias, los aparatos más utilizados en nuestro medio son el telurómetro y el Megger de tierras.

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Comparación

Ambos emplean corriente alterna para la medición pero el primero a una frecuencia de 25 Hz, el último a 133 Hz. Y los voltajes en circuito abierto son respectivamente de 120 y 22 Volts.

Cuando se calibran estos instrumentos contra resistencias patrón, ambos dan la misma lectura. En campo, las lecturas pueden variar por la impedancia del terreno a esas distintas frecuencias.

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Resultado de la prueba

Medidas sin desconexión

En el mercado también existen aparatos de medición de tipo gancho, los cuales tienen dos mayores limitaciones.

La primera es que dependen de que las conexiones del sistema de tierras estén bien hechas para obtener buenos resultados, porque cualquier resistencia en serie afecta la lectura.

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Medidas sin desconexión

Medidas sin desconexión

La segunda es que en electrodos de mallas industriales donde por inducción electromagnética se pueden obtener más de 2 Amperes en los conductores de puesta a tierra, el aparato no puede ser usado.

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Recomendaciones para medición

Las varillas electrodos de los instrumentos de medición pueden ser colocadas en todas direcciones como a una infinidad de distancias entre ellas. Aunque es el mismo punto de medida, las lecturas no son idénticas.

En los terrenos industriales es aún mayor la diferencia debido a la presencia de objetos metálicos enterrados como tuberías, varillas de construcción, rieles, canalizaciones eléctricas, etc.

Medición de resistividad

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Medición de resistividad

Circuito de prueba de resistividad de cuatro puntos.

I es un ampérimetro V es un voltímetro; = resistividad en (-cm), a = espaciamiento en cm, b = profundidad en cm y R = resistencia en . Si b « a, a en cm, entonces = 12.6aR .cm.Nota: la práctica usual para b « a es usar varillas para electrodos, no puntas aisladas.

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Procedimiento

Colóquense cuatro electrodos espaciados uniformemente como en la figura. Si estamos interesados en la resistividad para usarla en los cálculos de una varilla estándar de tierra de 3 m (10 ft), póngase b a 1,5 m. Fíjese a a 15.25 m (50 ft). Aplíquese una tensión o voltaje a los electrodos exteriores de corriente para generar una corriente de 1 A.

Mediciones

Mídase el potencial entre los puntos P1, y P2. Supongamos una lectura de 2 V en la medición.

Calcúlese RR = V/I = 2/1 = 2 .

Para el cálculo de empleamos la relación = 12.6aR -cm = (12.6)(a)(2) -cm, donde a = 1525 cm. Remplazando valores obtenemos: = 38 430 -cm.

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Conclusiones