p tierra
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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.
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,
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
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).
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.
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.
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.
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
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.
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,
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.
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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
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)
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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 )
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
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
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
Conclusiones