INTRODUCCION

Al diseñar y realizar la construcción de Instalaciones Eléctricas, una de las preocupaciones de los ingenieros de diseño y de campo es la realización de un buen sistema de tierras basado en la normatividad vigente tanto nacional como internacional.

Que pueda prevenir riesgos, causados por fallas en el sistema eléctrico o por causas naturales, algunas de estas son descritas a continuación:

Corto circuito entre un conductor energizado y cualquier otra parte metálica. (Minimizando el riesgo de electrocución).

Descargas atmosféricas inducidas, ya que estas deben ser descargadas a tierra. (Previniendo sobretensiones que puedan ser peligrosas en el equipo y en las carcasas de los mismos).

Este problema existe en todos los campos de la Ingeniería Eléctrica, desde las bajas corrientes a tierra de los equipos electrónicos de estado sólido, hasta las altas corrientes a tierra de las grandes subestaciones en alta tensión.

Anteriormente se analizaba solamente el peligro producido por tensiones peligrosas directas de línea a tierra, transitorias por descargas atmosféricas o por caída de líneas, y no se consideraban los efectos secundarios que producían las sobretensiones peligrosas y no se contemplaba el efecto producido por corrientes de falla al circular por el terreno, que era lo que producía los accidentes o la muerte del personal operativo. Este criterio costó muchas vidas humanas. En la actualidad uno de los aspectos principales para la protección contra sobretensiones es la de disponer de una red de tierra adecuada, a la cual se conectan los neutros de los equipos, apartarrayos, cables de guarda, estructuras metálicas, tanques y todas aquellas partes metálicas que deben estar a potencial de tierra.

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4.1 SISTEMA DE TIERRAS

Un sistema de tierras es el conjunto de elementos interconectados que tiene como objetivo evitar diferencias de potencial peligrosas en una instalación eléctrica y que al mismo tiempo, permita el paso de las corrientes de falla o de las descargas atmosféricas a tierra, logrando con esto, proporcionar seguridad al personal, equipos e instalaciones eléctricas, asegurando una buena calidad de la energía. Bajo el nombre genérico de sistema de tierra se conoce tanto a la conexión a tierra del sistema de distribución, como a la conexión o puesta a tierra del equipo eléctrico y no eléctrico.

CLASIFICACION

SISTEMA DE TIERRA EN BAJA TENSIÓN.El reglamento de instalaciones eléctricas exige a los usuarios de la energía eléctrica su propia conexión a tierra y dice: “En un sistema secundario de suministro puesto a tierra, cada servicio individual debe tener una conexión a un electrodo de tierra. Esta conexión debe hacerse como parte de la instalación del usuario, en el lado del abastecimiento del medio de desconexión principal y no en el lado de la carga”.

Los sistemas de tierra en baja tensión, aparentemente son los más simples, ya que no se diseñan en base a potenciales de paso o de contacto, sin embargo, es un hecho que la mayor parte de los accidentes por este concepto ocurren en el hogar, en tinas de hidromasaje, equipos de baño, lavadoras, secadoras, etc.

SISTEMA DE TIERRA EN MEDIA Y ALTA TENSIÓN.Es común que en subestaciones de potencia se piensa que con tener una resistencia de tierra baja es suficiente para proteger los equipos y al personal, sin embargo, existen factores que son determinantes en el diseño de un sistema de tierras ya que se pueden presentar potenciales peligrosos al momento de una falla de corto circuito o descargas atmosféricas, algunos de estos factores son; la resistividad del terreno, la corriente de falla de corto circuito, tamaño del local de la subestación, duración de la falla, geometría de la malla, etc.

El diseño se debe basar en la protección del personal y los equipos, disipando las corrientes de falla a tierra sin elevar el potencial que se presenta más allá del permisible. Es decir poner especial interés en los criterios de las tensiones de paso y contacto.

SISTEMA DE TIERRA PARA PROTECCIÓN.Tiene como objetivo conectar eléctricamente a tierra todos los elementos metálicos que forman parte de la instalación eléctrica, que no se encuentran sujetos a tensión normalmente, pero que pueden tener diferencias de potencial a causa de fallas accidentales, estos pueden ser: tableros eléctricos, tanque de interruptor y transformador, carcasas de las máquinas eléctricas, estructura metálica de las subestaciones o líneas de transmisión y en general todos los equipos eléctricos.

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SISTEMA DE TIERRA PARA FUNCIONAMIENTO.Se refiere a que una parte del sistema eléctrico, requiere una conexión a tierra con el fin de mejorar el funcionamiento en: sistemas de distribución, neutros de los transformadores, generadores, bases de apartar rayos, etc. Es necesario hacer dos divisiones del sistema eléctrico, una de ellas concerniente al sistema de alimentación y/o de distribución de energía y la segunda al sistema de tierras de maquinaria y equipo eléctrico. La primera división repercute en el servicio normal de distribución, así como de su equipo. Proporcionando valores máximos a tierra, la distribución secundaria o de baja tensión, se realiza con transformadores de distribución monofásicos 2 ó 3 hilos y trifásicos 4 hilos.

La distribución primaria o de mediana tensión, se realiza en conexión estrella aterrizada en la subestación. Si a partir de esta se lleva 3 conductores de fases, se tiene un sistema 3 fases-3 hilos. Si a partir de la subestación se llevan 3 conductores de fase y el neutro, se tiene un sistema de 3 fases-4 hilos, denominado también sistema multiaterrizado.

La subtransmisión y transmisión se realiza en conexión estrella aterrizada en la subestación, teniéndose un sistema de 3 fases-3 hilos. Se puede decir que es un aspecto de diseño en el que intervienen factores tales como tipo de carga, protección del transformador, economía de la instalación, etc.

La segunda división, relativa al sistema de tierras de equipo eléctrico tiene por el contrario un fin de protección "en falla" a diferencia de la anterior que opera constantemente para dar la tensión que requieren los elementos del sistema de alimentación y/o distribución de la energía. Este sistema proporciona protección únicamente al ocurrir una falla tal como de fase a tierra, de otra manera, no tiene intervención alguna en la instalación. Tan necesaria es una división como la otra, una para fijar tensiones de operación de equipo, como lámparas que operan a 220 V conectándose entre fases o a 127 V conectándose entre una fase y el neutro. La segunda división proporciona una trayectoria predeterminada de baja impedancia a corrientes de falla que conduzcan rápida y eficazmente la falla a los dispositivos operadores de protección y coloquen el equipo metálico a potencial de tierra, evitando riesgos de descargas al personal que opera las máquinas y del que circula cerca de ellas.

SISTEMA DE TIERRA PARA TRABAJOCon frecuencia durante las actividades de trabajo como son mantenimiento, reparaciones, etc. Es necesario realizar conexiones sólidamente aterrizadas con el fin de que sean accesibles y sin peligro para los trabajos a realizar.

CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LAS REDES DE TIERRA

Una red de protección de tierra es usada para establecer un potencial uniforme en y alrededor de la estructura, está unida sólidamente a los electrodos de tierra.

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Para las redes de tierra se tienen básicamente tres disposiciones, que son las siguientes:

Sistema radial Sistema en anillo Sistema de red o malla

SISTEMA RADIALEste sistema consiste en uno o varios electrodos de tierra, a los cuales se conectan las derivaciones de cada uno de los equipos. (Ver figura 1.14).

Esta disposición es la más económica, pero la menos confiable, ya que al producirse una falla en un sistema o en el equipo, se generan grandes gradientes de potencial.

SISTEMA EN ANILLOEste sistema se obtiene colocando en forma de anillo un conductor de cobre de suficiente calibre alrededor de la superficie ocupada por el equipo de la subestación eléctrica y conectando derivaciones a cada uno de los equipos, mediante un conductor de un calibre menor.

Es un sistema económico y eficiente, en el se eliminan las grandes distancias de descarga a tierra del sistema radial. Por su configuración, el sistema en anillo no limita potenciales, únicamente puede proporcionar, valores bajos de resistencia a tierra. (Ver figura 1.15).

Este arreglo se emplea cuando la corriente de retorno de la falla a tierra circula únicamente por conductores, como es el caso de las subestaciones tipo pedestal cuya alimentación lleva un neutro corrido.

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SISTEMA DE RED O MALLAEl sistema de malla es el más usado actualmente en las subestaciones eléctricas. Consiste, como su nombre lo indica, en un arreglo de conductores perpendiculares formando una malla o retícula, a la cual se conectan las derivaciones de cada uno de los equipos. En el perímetro de la malla, generalmente se colocan varillas o electrodos de tierra. Cuando las corrientes de falla circulan por el terreno natural se generan potenciales que la red de tierras debe limitar para que no resulten peligrosos para el personal.

El sistema de malla limita estos potenciales en el área de la subestación y además proporciona valores bajos de resistencia a tierra para el sistema eléctrico. Este sistema es el más eficiente, pero también el más caro de los tres tipos. (Ver figura 1.16).

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CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE TIERRAS

El método para construcción o la combinación de métodos, dependerá de un cierto número de factores tales como: tamaño de la malla, tipo de suelo, calibre del conductor, profundidad de excavación, disponibilidad del equipo, costo del trabajo o restricciones de seguridad debidas a estructuras cercanas existentes o equipo energizado.

Existen dos métodos comúnmente empleados para instalar la red de tierra. Estos son: método de trinchera y el método de conductor arado (plowing). Ambos métodos emplean máquinas. En donde no se emplean estas máquinas debido a falta de espacio, la red de tierras será instalada por excavación manual.

MÉTODO DE TRINCHERASe colocan distintivos en el perímetro a lo largo de sus lados para identificar el espaciamiento entre conductores paralelos. Estos marcadores también sirven como una guía para la máquina con la cual se hará la trinchera. Se excavan las trincheras utilizando una máquina, generalmente a lo largo del lado que tiene el mayor número de conductores paralelos. Estas trincheras son excavadas a una profundidad específica (por lo general alrededor de 0.5m). Se instalan los conductores en estas zanjas y las varillas de tierra son enterradas y conectadas a los conductores. Las mechas (conductores de puesta a tierra de los equipos) se pueden conectar a estos conductores en este momento. Estas zanjas iníciales se cubren con tierra de relleno hasta arriba de la ubicación de las conexiones transversales.

El siguiente paso es excavar zanjas para conductores transversales (a menudo a una profundidad menor), una vez más, utilizando marcadores como guía. Se debe tener cuidado al excavar estas zanjas para evitar dañar el conductor colocado en las zanjas transversales. Los conductores se instalan en las zanjas y las varillas de tierra restantes son enterradas y conectadas a los conductores. Las mechas restantes también son conectadas a estos conductores. Se realizan conexiones tipo cruz entre los conductores perpendiculares. Y por último las zanjas se cubren completamente con tierra de relleno.

Un método alternativo consiste en confinar el trabajo a una pequeña sección del total del área y completar esta sección totalmente antes de pasar a una nueva área. En este caso, las trincheras se cavan todas a la misma profundidad antes de colocar cualquier conductor. El método de instalación de conductores y varillas de tierra son los mismos que se describen en los párrafos anteriores.

MÉTODO DEL CONDUCTOR ARADOOtro procedimiento para la instalación de los conductores de la red de tierra, que puede ser económico y rápido cuando las condiciones son favorables y el equipo adecuado está disponible, es el arado de conductores. Se utiliza un arado estrecho especial, que podrá ser colocado e impulsado por un tractor o camión, si hay suficiente margen de maniobra. El arado también puede ser desplazado por un cabrestante colocado en el borde del

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terreno. El conductor se puede colocar sobre el terreno frente al arado, o un carrete de conductor puede ser montado en el tractor o camión que tire frente al arado. El conductor se introducirá a lo largo del terreno en el fondo del corte de la hoja del arado. Otro método consiste en anexar a la parte inferior de la hoja de arado el conductor y colocarlo conforme avanza. En este caso, se debe tener cuidado de que el conductor no quede arriba del suelo blando.

Los conductores cruzados se aran a una profundidad menor para evitar daños a los conductores previamente colocados. Los puntos de cruce o puntos en los que las varillas de tierra se van a instalar, están al descubierto y se realizan las conexiones. Con el equipo adecuado, y la ausencia de roca grandes, este método es adecuado para todos los calibres de conductor y para las profundidades que normalmente se utilizan.

REGISTROSLos registros también forman parte de la construcción del sistema de tierras y son muy importantes puesto que en el caso de las subestaciones, la norma especifica en el articulo 921-25(b) que deben hacerse mediciones periódicas para comprobar que los valores del sistema de tierras se ajustan a los valores de diseño. Por ello, se recomienda dejar registros en los electrodos. (Figura 1.17)

Como alternativa de los registros de fábrica, se pueden construir registros empleando un tubo de albañal, con la boca hacia arriba para que sirva de tope a una tapa de cemento.

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MANTENIMIENTO AL SISTEMA DE TIERRAS

El mantenimiento eléctrico es una actividad enfocada a conservar en buen funcionamiento y estado de las instalaciones, para garantizar la adecuada operación, con alta confiabilidad y seguridad.

TIPOS DE MANTENIMIENTO

Existen básicamente tres tipos de mantenimiento:

1) Mantenimiento predictivo.- Es el mantenimiento resultante de una adecuada planeación, que permite prever con anticipación el reemplazo necesario de algún equipo, dispositivo o material de un sistema, en función de su vida útil, proceso o medio de operación.

2) Mantenimiento correctivo.- Es el resultado de reparar inmediato alguna falla presentada en el sistema para obtener nuevamente la normalidad. Ante el imprevisto, se corre el riesgo de no contar con los elementos adecuados para efectuar las correcciones en su totalidad y operar el sistema en forma provisional con un alto riesgo.

3) Mantenimiento preventivo.- Es la revisión periódica y rutinaria para descubrir oportunamente cualquier anormalidad en el sistema.

MANTENIMIENTO DEL SISTEMA DE TIERRAEl mantenimiento del sistema de tierra es una actividad muy importante como lo es en otro tipo de instalaciones, ya que con esta actividad se logrará la confiabilidad operativa de los equipos y sobre todo la seguridad de las personas.

Normalmente se piensa, en forma errónea, que un sistema de tierra dura toda la vida o al menos un tiempo semejante a la instalación eléctrica y se le da poca importancia porque parte de los conductores de tierra comparten las mismas canalizaciones que los conductores de energía; pero es necesario recordar que al sistema de tierra lo conforman además de los conductores descritos los electrodos o malla que están directamente en contacto con el terreno, cuya composición química generalmente se desconoce y en muchos casos puede afectarlos por corrosión, incrementando la resistencia o hasta el grado de desaparecer los elementos.

Por esta razón, aunque los electrodos están enterrados no hay que olvidarlos, pues no son la parte muerta de la instalación sino la parte medular del funcionamiento de la misma.

El mantenimiento de un sistema de tierra es relativamente sencillo y se efectúa realizando las siguientes actividades:

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a) Inspección ocular de la instalación, revisando que en principio los elementos estén en buenas condiciones (cable, conectores, barras, uniones, etc.).

b) Verificar que el apriete de la tornillería, conectores y puntos de conexión sea el adecuado.

c) Comprobar que no existan rasgos de arqueos, carbonizaciones, temperatura adicional a la del ambiente en los conductores de tierra o puntos de conexión.

d) Revisar que las áreas de contacto se encuentren libres de pintura, barniz, aislantes, oxidaciones o sulfataciones.

e) Verificar por medio de un equipo (óhmetro) la continuidad del sistema de tierra.f) Constatar que no circule corriente en los conductores del sistema de tierra en

condiciones normales de operación, a través de un ampérmetro.g) Comprobar que la diferencia de potencial (tensión) entre el conductor neutro y el

conductor de tierras en diferentes puntos o salidas de la instalación eléctrica sea muy pequeño o prácticamente cero.

h) Ratificar la correcta conexión del conductor neutro y del conductor de tierra en un solo punto (generalmente a la salida del secundario del transformador o en el interruptor general de baja tensión posterior al equipo de medición).

i) Verificar que los desarrollos del conductor neutro y del conductor de tierra sean independientes y no se interconecten en ningún tablero derivado o cualquier otro punto.

j) Comprobar que no se invierta la polaridad o la conexión del conductor neutro con la del conductor de tierra. Particularmente se presenta en los contactos monofásicos.

k) Ratificar que el tamaño o sección transversal de los conductores del sistema de tierra siguen siendo los adecuados para las condiciones actuales de operación, ya que es muy frecuente el crecimiento natural de las cargas y sus demandas de una instalación eléctrica.

l) Es recomendable identificar las barras de conexión de los diferentes sistemas de tierra con simbologías y letreros para evitar conexiones inadecuadas, operaciones y daños catastróficos.

m) Verificar, por medio de un equipo de medición, que el valor máximo de resistencia a tierra sea igual o menor al valor normativo o recomendado por el distribuidor del equipo al que está conectado.

n) Es necesario efectuar mediciones cada año, particularmente en la época de estiaje o sequía (condición crítica), ya que la época de lluvia favorece la conductividad, por lo que no es representativa del comportamiento promedio anual.

o) Comprobar que el cable de bajada de los pararrayos (protección contra rayos), se desarrolle directamente hacia el terreno y no tenga derivaciones para interconexión con otros sistemas o equipos, a menos que estén estos últimos ubicados en el techo y cercanos a menos de 1.8 metros.

p) Verificar que los diferentes sistemas de tierra (energía eléctrica, sistemas de cómputo y pararrayos, etc.) se interconecten, única y exclusivamente en la malla, electrodo o sistemas de electrodos que estén en contacto con el terreno.

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4.1.1 IMPORTANCIA DE UN SISTEMA D TIERRA

Una gran parte de los accidentes personales en la industria y en cualquier otra parte donde se tenga un sistema eléctrico, debidos a causas eléctricas, están relacionados con el contacto directo con partes metálicas. Se ha encontrado que la causa de estos accidentes, ha sido la falta de un sistema de tierra o sistemas de tierra adecuados.

Estadísticamente el 10% de los incendios originados en las Instalaciones Eléctricas se deben a fallas en los sistemas de tierras. Por ésta razón, se deduce que desde el diseño de cualquier instalación eléctrica para plantas industriales, hospitales, oficinas edificios públicos, etc. se le debe dar gran importancia y atención al sistema de tierras.

El disponer de una red de tierra adecuada es uno de los aspectos principales para la protección contra sobretensiones en las subestaciones. A ésta red se conectan los neutros de los equipos eléctricos, pararrayos, cables de guarda y todas aquellas partes metálicas que deben estar a potencial de tierra.

Las necesidades de contar con una red de tierra en las subestaciones es la de cumplir con las siguientes funciones:

a) Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para la circulación de las corrientes de tierra, ya sea que se deban a una falla de cortocircuito o a la operación de un pararrayos.

b) Evitar que, durante la circulación de éstas corrientes de falla, puedan producirse diferencias de potencial entre distintos puntos de la subestación (ya sea sobre el piso o con respecto a partes metálicas puestas a tierra), significando un peligro para el personal, considerando que las tensiones tolerables por el cuerpo humano deben ser mayores que las tensiones resultantes en la malla.

c) Facilitar la operación de los dispositivos de protección adecuados, para la eliminación de las fallas a tierra en los sistemas eléctricos.

d) Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio eléctrico.e) Evitar la aparición de potencial en el neutro en un sistema en estrella aterrizado.f) Proveer una conexión a tierra para el punto neutro de los equipos que así lo

requieran (transformadores, reactores, etc.).g) Proporcionar un medio de descarga en los equipos, ya que estos almacenan

energía por inducción magnética o capacitancia, antes de proceder a tareas de mantenimiento.

La conducción de altas corrientes a tierra en instalaciones eléctricas, debidas a descargas atmosféricas o a fallas del equipo, obliga a tomar precauciones para que los gradientes eléctricos o las tensiones resultantes no ofrezcan peligro a los operadores.

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Intensidades del orden de miles de amperes, producen gradientes de potencial elevados en la vecindad del punto o puntos de contacto a tierra y si, además, se da la circunstancia de que algún ser viviente se apoye en dos puntos, entre los cuales existe una diferencia de potencial debida al gradiente arriba indicado, puede sufrir una descarga de tal magnitud que sobrepase el límite de su contractilidad muscular y provoque su caída. En tal situación, la corriente que circula por su cuerpo aumenta y si por desgracia ésta pasa por algún órgano vital como el corazón, puede originar fibrilación ventricular y sobrevenir la muerte.

FACTORES BÁSICOS A CONSIDERAR PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE TIERRAS

Algunos de los factores que tienen un papel importante en el diseño del sistema de tierra son los siguientes:

LA RESISTIVIDAD DEL TERRENOEsta cantidad se expresa en ohm-m y representa la resistencia de 1 m3 de tierra, medida entre superficies opuestas.

TAMAÑO O EXTENSIÓN DEL SISTEMA DE TIERRASEste es un factor importante, ya que si el sistema es muy pequeño para manejar grandes corrientes de falla, pueden existir gradientes de potencial sobre la superficie, haciendo riesgoso esto para el contacto. En forma ideal el concepto de un buen sistema de puesta a tierra, ha sido el de obtener una resistencia a tierra tan baja como sea posible. Sin embargo, en sistemas donde las corrientes de falla son excesivamente altas, puede ser imposible, mantener potenciales a tierra dentro de los límites de seguridad, aunque la resistencia de tierra se mantenga baja.

4.1.2 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE TIERRA

Los elementos principales de un sistema de tierras son los siguientes:

Electrodos Conductores Conectores

ELECTRODOS

Son elementos metálicos conductores, los cuales se clavan en el terreno y sirven para encontrar zonas húmedas y por lo tanto con menor resistividad eléctrica en el subsuelo. Con el fin de mantener un potencial de tierra en todos los conductores que estén conectados a ellos y de esta forma disipar en el terreno todas las corrientes de falla. Son especialmente importantes en terrenos sin vegetación y por lo tanto secos.

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Pueden ser fabricados de acero, acero galvanizado, acero inoxidable, cobre, aluminio, o una combinación de éstos (copperweld). La selección del material dependerá de las características del terreno.

Para instalaciones eléctricas la NOM-001-SEDE-2005 en su artículo 250-84 establece que la resistencia de una varilla o electrodo de tierra no debe exceder de25 Ω. Esto se toma como un límite superior.Los electrodos de tierra se pueden encontrar en diferentes tamaños, formas, y con diferentes características.

A continuación se describen los tipos de electrodos más comunes:

VARILLA COPPERWELD

Esta varilla es una de las más usadas, ya que es de bajo costo. Este tipo de electrodo es fabricado de acero cubierta de cobre (copperweld), el cual combina las ventajas del cobre con la alta resistencia mecánica del acero, su longitud es de 3.05 metros y los diámetros nominales más comerciales son: 5/8” y 3/4" o bien 14.3 mm2 y 19 mm2.

Esta varilla se debe enterrar en forma vertical y a una profundidad de por lo menos 2.4 metros, excepto si se encuentra roca, en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra se debe clavar a un ángulo oblicuo que no forme más de 45° con la vertical o se acepta que la varilla vaya enterrada en forma horizontal, siempre y cuando sea en una zanja de mínimo 800 mm de profundidad. (Según Art. 250-83(c)(3) de la NOM- 001-SEDE-2005). (Ver figura 1.1).

La varilla copperweld no tiene mucha área de contacto, pero sí una longitud considerable, con la cual es posible un contacto con capas de tierra húmedas, lo cual se obtiene un valor de resistencia bajo.

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Estas varillas combinan las ventajas del cobre con la alta resistencia mecánica del fierro; poseen una buena conductividad eléctrica, excelente resistencia a la corrosión y buena resistencia mecánica para ser clavadas en el terreno.

PLACA

Debido a que este electrodo tiene una gran área de contacto es recomendado en terrenos que tengan alta resistividad. Según el artículo 250-83(d) de la NOM 001- SEDE-2005 debe tener un área de por lo menos 0.2 m² y un espesor mínimo de 6.4 mm y un mínimo de 1.52 mm en materiales no ferrosos. (Ver figura 1.2).

ANILLO DE TIERRA

Este consiste en un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura, en contacto directo con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste como mínimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamaño nominal no inferior a 33,6 mm2 (2 AWG). (Art. 250-81(d) de la NOM-001-SEDE-2005). (Ver figura 1.3).

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MALLA

La malla se hace armando una red de conductores de cobre desnudos, esta malla se puede mejorar con algunos electrodos. Esta malla es muy utilizada en las subestaciones eléctricas, ya que reduce el riesgo de descargas. (Ver figura 1.4).

OBSERVACIÓN: A continuación se describen los electrodos no especificados por laNOM-001-SEDE-2005, pero existentes en el mercado.

a) REHILETE

Este electrodo se forma de dos placas de cobre cruzadas, las cuales van soldadas y estas a la vez a un conductor (cable de cobre) mediante soldadura exotérmica. Este tipo de electrodo es bueno para terrenos donde es difícil excavar, ya que tiene mucha área de contacto. (Ver figura 1.5).

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b) ELECTRODOS QUÍMICOS

Los electrodos químicos son aquellos electrodos a los que se les adiciona algún compuesto químico para aumentar la conductividad y de esta forma disminuir el valor de resistencia. (Ver figura 1.6).

Disminuye la resistencia eléctrica de contacto a tierra por medio de su contenido químico, facilitando el paso de la corriente eléctrica, propia de la descarga atmosférica o bien de corto circuito, aumentando así su volumen de disipación y reduciendo el tiempo de respuesta. Actúa 10000 veces más rápido que el contacto metal-tierra, disipando la energía eléctrica de corto circuito o del rayo, estabilizando la tensión de su instalación eléctrica, permitiendo operar a tiempo los sistemas de protección.

Los contenidos químicos más usuales para estos electrodos son:

Carbón mineral (Coke).- Ha venido a sustituir al carbón vegetal por tener mejores cualidades aunque requiere una cierta medida de la humedad.

Grafito rígido.- Al tratarse de un electrodo constituido enteramente por grafito, no se encuentra afectado intensamente por la corrosión a diferencia de lo que ocurre con los metales. En cuanto a los valores de resistencia a tierra en suelos de

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diferentes resistividades, su comportamiento es muy similar o incluso mejor al de las placas estrella, y mucho mejor al de las varillas convencionales.

Sulfatos.- Son obsoletos debido a sus cualidades corrosivas sobre los metales en particular del cobre.

Sales.- También, al igual que los sulfatos ya no se usan, además de ser corrosivas se diluyen fácilmente en el agua.

La ventaja de este tipo de electrodos es que se puede obtener resultados favorables de inmediato, pero requieren ser vigilados o monitoreados cada semestre para garantizar que se encuentren en buenas condiciones para el logro de su efectividad, por lo tanto se les tiene que dar mantenimiento con mayor frecuencia.

NOTA: De acuerdo a pruebas que se han realizado por el Laboratorio de Pruebas de Equipos y Materiales (LAPEM) de Comisión Federal de Electricidad, durante 2 años sobre el comportamiento de los diferentes tipos de electrodos de tierra prefabricados y electrodos de tierra con rellenos químicos (instalados en campo), efectuando mediciones cada semana, muestra resultados interesantes para la selección del electrodo de tierra más eficiente.

Con base en los resultados se reporta que el mejor comportamiento corresponde a la varilla copperweld, siendo la más utilizada gracias a su gran eficiencia y bajo costo de material e instalación, en algunos casos para mejorar el comportamiento de esta puede combinarse con contra-antena, por el contrario los electrodos mas deficientes fueron los prefabricados de grafito (electrodos químicos).

CONDUCTORES

Sirven para formar el sistema de tierra y para conexión a tierra de los equipos. Los conductores empleados en los sistemas de tierra son generalmente cable concéntrico formado por varios hilos. El conductor que formará la malla de tierras debe seleccionarse de la siguiente manera.

MATERIALLos materiales empleados en su fabricación son: cobre, cobre estañado, copperweld, acero, acero inoxidable, acero galvanizado o aluminio, en sí, cualquier elemento metálico, sin embargo, la mayoría de los metales comunes se corroen fácilmente, por lo que el cobre ha destacado en este aspecto ya que es muy resistente a la corrosión, sin embargo existen zonas cercanas a canales de aguas residuales en que el cobre es atacado por ácidos empleados en el tratamientos de aguas, en estos sitios se podría estudiar el caso y cambiar el material del sistema de tierra. (Ver tabla 1.2).

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CALIBRE DEL CONDUCTOREste se debe seleccionar tomando en cuenta el esfuerzo mecánico y térmico a que esta expuesto. El esfuerzo térmico se puede calcular con la fórmula de Sverak. Para conductores en escala de mm2

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Si el calibre del conductor está en circular mils (CM)

Si se quiere conocer la sección o calibre requerido en función de la corriente de corto circuito se tiene:

Simplificación de fórmulas

Para calcular el calibre de conductor podemos hacer uso de la fórmula simplificada y la tabla 1.3 de constantes de materiales. Para obtener el área en mm2 se emplea la siguiente fórmula:

Para obtener el área en kcmil se emplea la siguiente fórmula:

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En la práctica los requerimientos de confiabilidad mecánica determinarán el calibre mínimo del conductor. Las primeras guías de la AIEE e IEEE recomiendan un calibre mínimo de 1/0 y 2/0 AWG para conductor de cobre con juntas soldadas y atornilladas respectivamente. Un reciente estudio realizado a nivel internacional ha mostrado que cerca del 66% de las utilizaciones cuestionadas usan conductor de calibre 4/0 AWG para la construcción de la red y aproximadamente el 16% restante prefiere usar conductores tan grandes como 500 kCM.

Aunque en muchos casos el calibre del conductor esté sobrado, se ha justificado su instalación para darle mayor resistencia mecánica y evitar su afectación por efectos electromecánicos o de corrosión. (Ver figura 1.7).

Por otro lado cerca del 25% de las utilizaciones reportan el uso de conductores de cobre tan pequeños como 1/0 AWG sin presentar problemas mecánicos.

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CONECTORES

Son los elementos que nos sirven para unir los conductores del sistema de tierra, para conectar los electrodos a los conductores y para la conexión de los equipos a través de conductores al sistema de tierra. Los conectores utilizados en los sistemas de tierra son principalmente de dos tipos:

1. CONECTORES A PRESIÓN

Conectores atornillados Conectores de compresión

2. CONECTORES SOLDABLES O EXOTÉRMICOS

Estos conectores deberán seleccionarse con el mismo criterio con el que se seleccionan los conductores a demás deberán de tener las siguientes propiedades:

Capacidad de conducción de corriente suficiente para soportar las severas condiciones de magnitud y duración de la corriente de falla.

Resistencia a la corrosión que retarde su deterioro en el ambiente en el que se instale.

Conductividad eléctrica que reduzca efectivamente las diferencias detensión locales de la red de tierra.

Rigidez mecánica robusta para resistir los esfuerzos electromecánicos que puedan provocar daños físicos a la red.

Capacidad térmica que permita mantener una temperatura por debajo del conductor y así reducir el efecto del calentamiento.

Todos los tipos de conectores deben poder soportar la corriente de la red de tierra en forma continua.

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CONECTORES A PRESIÓNLos conectores a presión son todos aquellos que mediante presión mantienen en contacto a los conductores. En este tipo están comprendidos los conectores atornillados o mecánicos y los de compresión.

CONECTORES ATORNILLADOSEstán formados generalmente por dos piezas, las cuales se unen por medio de tornillos. El material del conector es de bronce con alto contenido de cobre y el de los tornillos es de bronce al silicio que les da alta resistencia mecánica y a la corrosión. Su limitación máxima de temperatura es de 250 C. (Ver figura 1.8).

CONECTORES DE COMPRESIÓNLos conectores de compresión se fabrican en una sola pieza y mediante herramientas especiales se colocan para la unión de conductores. Los conectores a presión deberán diseñarse para una temperatura máxima de 250 a 350° C.

Los conectores de compresión dan mayor garantía de buen contacto y son ampliamente utilizados para interconectar la red de tierra, así como para la puesta a tierra de las estructuras metálicas y en general de las partes metálicas expuestas de los equipos eléctricos de la subestación.

Los conectores a presión son más económicos, seguros y fáciles de instalar por lo que se usan con mucha frecuencia. (Ver figura 1.9).

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CORROSIÓN GALVÁNICA EN LAS CONEXIONESEsto ocurre cuando metales diferentes se encuentran en contacto, ambos metales poseen potenciales eléctricos diferentes lo cual favorece la aparición de un metal como ánodo y otro como cátodo. La corriente galvánica se incrementa o disminuye de acuerdo a la salinidad del fluido (electrolito). (Ver figura 1.10).

El Ánodo es aquel electrodo del cual fluye la corriente positiva en forma de iones hacia el electrolito. Aquí ocurre la "oxidación" la que implica la pérdida de metal.

El Cátodo es aquel electrodo del cual fluye corriente negativa hacia el electrolito. Aquí ocurre la "reducción", la corriente llega desde el electrolito y el metal se protege. Electrolito es el medio en que el ánodo y cátodo están inmersos y que tiene capacidad para conducir corriente. Los electrolitos más habituales son agua dulce, agua de mar y la tierra. Una forma de evitar la corrosión galvánica que se presenta entre la unión de diferentes materiales es mediante el uso de conexiones con alto contenido del material a unir (si deseamos unir conductores de cobre se utilizan conectores de bronce (aleación de cobre con estaño) con alto contenido de cobre).

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NOTA: Otra forma de evitar la corrosión galvánica que se presenta entre la unión de diferentes materiales es aplicar un compuesto sellador y retardador de la corrosión galvánica, está compuesto por una base sintética con partículas de cobre, que asegura alta conductividad y no permite la formación de óxidos. Es utilizado para la unión de cobre a cobre y en todas las aplicaciones de tierras, a este compuesto se le conoce como Penetrox E. Actualmente este compuesto es utilizado en subestaciones eléctricas de Luz y Fuerza del Centro.

CONECTORES SOLDABLESLos conectores soldables son aquellos que mediante una reacción química exotérmica los conductores y el conector se soldan en una conexión molecular. Este tipo de conector, por su naturaleza soporta como mínimo la misma temperatura de fusión del conductor. Son muy empleados debido al ahorro de tiempo y costo que se obtiene al realizar muchas conexiones. Proporcionan una conexión permanente y eliminan la resistencia de contacto. Están libres de corrosión y permiten el uso de conductores de menor calibre, debido a su máxima limitación de temperatura (450°C). No se usan en presencia de atmósferas volátiles o explosivas. La forma y dimensiones de los conductores determinan la forma y el tamaño del molde. (Ver figura 1.11). Muchos ensayos efectuados sobre diferentes conexiones soldables, han permitido constatar las siguientes propiedades:

La conductividad es al menos igual que la de los propios conductores. Como la sección de la soldadura es siempre mayor que la sección de los

conductores, las sobrecargas y fuertes intensidades no tienen efecto sobre la conexión. Y por otra parte se ha demostrado que los conductores se funden antes que la soldadura.

La fractura de la conexión no puede producirse ya que no existen esfuerzos mecánicos. De ello se deduce una duración mucho mayor.

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Para fabricar una conexión exotérmica no es necesaria una fuente de energía externa. Al encender una chispa sobre el polvo ignitor, se inicia una reacción química, donde el óxido de cobre es reducido por el metal aluminio produciendo cobre fundido a unos 1400° C y escoria de aluminio. Este cobre fluye sobre los conductores soldándolos en la forma del molde de grafito, obteniendo una unión metálica sólida en unos 20 segundos. Es importante notar que una buena unión depende del ajuste del molde a los conductores. (Ver figura 1.12).

NOTA: Se recomienda que para la interconexión de los conductores de la red de tierra, se utilicen conectores de compresión y para enlazar los conductores a las varillas de tierra, se empleen conectores soldables o exotérmicos.

BARRAS EQUIPOTENCIALES (EQUIPO DE CONEXIÓN AUXILIAR)En las líneas de tierra deberán existir los suficientes puntos de puesta a tierra, para ello hacemos uso de las barras equipotenciales, mediante estas barras es posible interconectar todas las puestas a tierra, esto permite un fácil acceso a las diferentes puestas a tierra, lo que facilita los mantenimientos y las mediciones de resistencia y equipotencialidad. (Ver figura 1.13).

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Una barra es una pletina de cobre pretaladrada, con dimensiones y separación de pernos y huecos. Debe ser dimensionado de acuerdo con los requisitos inmediatos de aplicación y teniendo en consideración futuros crecimientos, sus dimensiones mínimas son de 5 mm de espesor por 50 mm de ancho y longitud variable. Es preferible pero no imprescindible que sea recubierto con níquel, sí no lo es, debe limpiarse antes de unir los conectores. Deben utilizarse conectores certificados de compresión de dos huecos o soldadura exotérmica y debe ser aislada de su soporte, se recomienda una separación de 50 cm. La barra de unión y distribución de tierras da la función de distribuir hilos de tierra ya sea directa a los equipos a proteger o bien mediante la utilización de acopladores secundarios.Resulta ser un elemento de gran utilidad en diversas aplicaciones ya sea como punto de distribución de hilos de tierra.

INSTALACIÓN DE CONEXIONES, CONDUCTORES DE PUESTA A TIERRA Y VARILLAS DE TIERRA.

Una vez que se coloquen los conductores en sus zanjas, se hacen las conexiones necesarias. Generalmente los puntos de cruce requieren una conexión tipo cruz, mientras que las conexiones en “T” se utilizan para conectar un conductor recto situado a lo largo del perímetro. Los tipos de conexiones son muy variados y dependen de la unión, del material que se une y de la utilidad en cuestión. Las mechas se dejan en lugares apropiados para las conexiones de puesta a tierra de estructuras o equipos. Estos conductores pueden ser del mismo calibre que el del conductor de la malla subterránea o ser de un calibre diferente según el número de tierras por equipo, la magnitud de la corriente de falla a tierra y las practicas de diseño de la instalación. Estas mechas quedan accesibles después de hacer el relleno, para hacer conexiones de alto grado. La instalación de las varillas de tierra generalmente es realizada por medio de un martillo hidráulico, martillo de aire, u otros dispositivos mecánicos. La unión de dos varillas de tierra se hace por cualquiera de los métodos, ya sea, utilizando el método exotérmico o un método de acople roscado o acople sin rosca.

4.2 PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS SEGÚN NORMAS

RESISTIVIDAD

En cuanto a la resistividad del terreno se refiere, la Norma IEEE Std. 80-2000 en su apartado 13.2 muestra una clasificación general de los tipos de terreno y sus valores de resistividad determinados empíricamente.

CONDUCTORES

La NOM-001-SEDE-2005 establece en su Artículo 250-91 (a) el material a utilizar en los conductores de puesta a tierra.

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La Norma IEEE Std. 80-2000. En su apartado 11.2 nos da una descripción completa de los materiales con los que se fabrican los conductores y los problemas de corrosión que se puedan presentar en ellos.

El Artículo 921-10 (e) de la NOM-001-SEDE-2005 nos indica el limite de la capacidad de conducción de la corriente de falla a tierra y resistencia mecánica del conductor.

En el apartado 11.3 de la Norma IEEE Std. 80-2000 nos indica los factores a considerar en el cálculo del calibre del conductor.

ELECTRODOS

El Artículo 250-84 de la NOM-001-SEDE-2005, menciona que la distancia mínima entre electrodos es de 1.80 m, ya sea de un mismo sistema de puesta a tierra o entre distintos sistemas de puesta a tierra.

Por otra parte el inciso (c) en el subinciso (2), nos da a conocer el diámetro mínimo de la varilla según el material del cual esta construida.

Si se trata de un electrodo tipo placa el inciso d) indica el área de contacto con el suelo y el espesor de la placa.

En este mismo Artículo en el inciso e) nos da a conocer que los electrodos de Aluminio no están permitidos.

El Artículo 250-84 establece que la resistencia de una varilla o electrodo de tierra no debe exceder de 25 Ω. Esto se toma como un límite superior.

La especificación 56100-16 de CFE establece las características técnicas con las deben cumplir los electrodos de tierra tipo varilla.

CONECTORES

En la NRF-011-CFE-2004 en su punto 5.4.3 indica que en cada cruce de conductores de la red de tierra, éstos deben conectarse rígidamente mediante conectores y también donde se encuentren con electrodos verticales.

Las conexiones a emplear deberán satisfacer los siguientes criterios: conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión, capacidad de la corriente de carga y fuerza mecánica, los cuales están establecidos en la Norma IEEE Std. 837-1989.

El Artículo 921-9 de la NOM-001-SEDE-2005, establece que la conexión del conductor de puesta a tierra y los diferentes elementos a que está unido, debe

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hacerse por medios que igualen las características del propio conductor y que sean adecuados para la exposición ambiental.

PROFUNDIDAD Y SEPARACIÓN DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES DE LA MALLA DE TIERRAS

En la NRF-011-CFE-2004 en el punto 5.1 de elementos principales del sistema de tierra a), indica que para la malla de tierra se debe profundizar de 0.3 a 0.5 metros, dependiendo del tipo de terreno.

El Artículo 250-83 de la NOM-001-SEDE-05, en el subinciso (3) del inciso (c), establece la forma, profundidad y ángulos que se utilizan al enterrar los electrodos tipo varilla cuando se tiene un suelo rocoso.

CONEXIÓN DE LOS ELEMENTOS

El Artículo 250-112 de la NOM-001-SEDE-2005, establece que la conexión de un conductor al electrodo de puesta a tierra debe ser accesible y debe asegurar una puesta a tierra eficaz y permanente.

El Artículo 250-113 de la NOM-001-SEDE-2005, establece la conexión de los conductores de puesta a tierra y los cables de puentes de unión se deben hacer mediante conectores aprobados. Para conectar los conductores de puesta a tierra a los envolventes no deben utilizarse pijas.

En el Artículo 250-115 de la NOM-001-SEDE-2005, nos indica que el conductor de puesta a tierra se debe conectar al electrodo de puesta a tierra por medio de soldadura exotérmica, zapatas conectores a presión, abrazaderas o por otro medio siempre y cuando esté aprobado.

El Artículo 250-119 de la NOM-001-SEDE-2005, nos hace notar que las terminales de conexión de puesta a tierra pueden identificarse de distintas formas, las cuales se mencionan en este artículo. Así como su símbolo normalizado.

El punto 18.3 de la Norma IEEE Std. 80-2000. Se hace referencia al tipo de conexiones que se emplean durante la construcción de la red de tierras, según se requiera, puesto que existen muchos tipos de conexiones y la selección de ésta depende de la unión, material a unir y utilidad.

TRINCHERAS

En el punto 18.1 y 18.2 de la Norma IEEE Std. 80-2000. Se mencionan los diferentes métodos que se emplean para la construcción de las trincheras. Así como los equipos a utilizar en los mismos.

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EQUIPOS QUE SE CONECTAN A LA RED DE TIERRAS

El Artículo 250-155 de la NOM-001-SEDE-2005, nos menciona que todas las carcasas de equipo fijo, móvil o portátil y de sus correspondientes cercas, alojamientos, envolventes y estructuras de soporte por las que no pase corriente eléctrica normalmente, deben ser puestas a tierra.

TRANSFORMADORES

El Artículo 450-10 de la NOM-001-SEDE-2005, nos menciona que las partes metálicas de las instalaciones de transformadores, que no transporten corriente y estén expuestas, se deben poner a tierra.

El Artículo 250-153 de la NOM-001-SEDE-2005, menciona los sistemas con neutro puesto a tierra a través de impedancia, describe la ubicación, identificación, aislamiento, conexión y tipo de conductores que se emplean.

El Artículo 470-19 de la NOM-001-SEDE-2005, menciona que los gabinetes metálicos o cajas de las resistencias o reactores deben estar puestos a tierra.

INTERRUPTORES Y CUCHILLAS

En el apartado 17.2 de la IEEE Std. 80-2000 se mencionan las prácticas de como se debe aterrizar el eje del interruptor, las manivelas y las placas de los mismos para seguridad de los operadores.

El Artículo 380-12 de la NOM-001-SEDE-2005, menciona que los envolventes metálicos de desconectadores e interruptores automáticos, se deben poner a tierra.

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (TC’s) Y DE POTENCIAL (TP’s)

El Artículo 250-122 de la NOM-001-SEDE-2005, nos menciona que las carcasas o armazones de transformadores de instrumentos deben ser puestos a tierra siempre que sean accesibles a personas no calificadas.

El Artículo 250-124 de la NOM-001-SEDE-2005, nos indica que cuando los instrumentos, medidores y relevadores contengan partes conductoras a 1 kV o más a tierra, se deben aislar elevándolas o protegiéndolas por medio de barreras adecuadas puestas a tierra en las partes metálicas, cubiertas aislantes o protectores aislantes.

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APARTARRAYOS

El Artículo 280-29 de la NOM-001-SEDE-2005, menciona en su inciso (a) que la conexión de puesta a tierra debe ser lo más directamente posible.

Y en inciso (b) nos indica que cuando no sea posible el resguardo de los apartarrayos, su estructura y partes metálicas que no conducen corriente eléctrica, deben ser puestos a tierra.

El Artículo 921-10 (c) de la NOM-001-SEDE-2005, menciona la Capacidad de conducción de corriente y resistencia mecánica del conductor individual de puesta a tierra de un apartarrayos y la conexión del punto de referencia de tierra del apartarrayos. Indicando que el tanque del transformador no debe utilizarse como un medio de puesta a tierra.

3.2.2.5. BANCOS DE TIERRA

El Artículo 450-5 de la NOM-001-SEDE-2005, menciona las conexiones de los Autotransformadores (transformadores conectados en zigzag) para conexión a tierra en sistemas trifásicos de tres hilos de fase, con el propósito de obtener un sistema de distribución de tres fases, cuatro hilos, o para proveer una referencia de neutro para fines de puesta a tierra.

En el inciso (a) (1) se menciona como debe interconectarse el transformador a los conductores de fase no puestos a tierra.

BANCOS DE CAPACITORES

El Artículo 460-27 de la NOM-001-SEDE-2005, menciona que en el caso de que los gabinetes metálicos y neutros de los capacitores estén puestos a tierra, se debe cumplir con lo dispuesto en el Artículo 250.

TABLEROS

El Artículo 384-11 de la NOM-001-SEDE-2005, menciona que los marcos de los tableros de distribución y las estructuras que soporten los elementos de desconexión, deben estar puestos a tierra.

El Artículo 384-12 de la NOM-001-SEDE-2005, menciona que los instrumentos, relevadores, medidores y transformadores de instrumentos instalados en los tableros de distribución se deben poner a tierra.

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CABLES MENSAJEROS Y RETENIDAS

El Artículo 921-21 (a) y (b) de la NOM-001-SEDE-2005, hace referencia a los intervalos máximos para la puesta a tierra de cables mensajeros y retenidas.

PARTES NO CONDUCTORAS DE CORRIENTE ELÉCTRICA

El Artículo 921-28 (c) de la NOM-001-SEDE-2005, menciona que toda estructura de acero que forme parte de la subestación debe ser puesta a tierra.

CERCAS METÁLICAS DE PROTECCIÓN

El Artículo 921-26 de la NOM-001-SEDE-2005, nos indica la puesta a tierra de las cercas metálicas que delimitan nuestro predio, esta conexión va a depender de la posición de la periferia del sistema de tierra.

El Artículo 921-29 de la NOM-001-SEDE-2005, nos hace referencia a la conexión a tierra de las cercas metálicas cuando exista un cruce de líneas suministradoras.

MEDICIONES DEL SISTEMA DE TIERRAS

El Artículo 921-25 (b) NOM-001-SEDE-2005, especifica que deben hacerse mediciones periódicas para comprobar que los valores del sistema de tierras se ajustan a los valores de diseño.

RESISTIVIDAD

Los valores obtenidos en las mediciones se verán afectados por la clase del terreno y la época en la que se realicen éstas.

Existen diferentes métodos para la medición de resistividad, los más utilizados son el Método Wenner y el Método Schlumburger-Palmer, estos se describen en el apartado 13.3 de la IEEE Std. 80-2000.

RESISTENCIA

Para el valor de la resistencia de la red de tierras, la NRF-011-CFE-2004 en el apartado 5.4.3 en el paso 5 nos da una estimación de los valores preliminares considerables en el diseño.

El Artículo 921-3 de la NOM-001-SEDE-2005, nos dice que para realizar la medición de la resistencia del sistema de tierra, debe efectuarse desconectando el electrodo, del neutro del sistema.

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Para la medición de la malla de tierras se utilizan diversos métodos, los más utilizados son el Método de Caída de Potencial y el Método de Dos Puntos, estos métodos se describen en los apartados 19.1.1 y 19.1.5 respectivamente, de la norma IEEE Std. 80-2000.

OBSERVACIONES Y/O RECOMENDACIONES DE LA PROCURADURÍA FEDERAL DE PROTECCIÓN AMBIENTAL (PROFEPA).

Referente al tratamiento del terreno por medio de la aplicación de compuestos químicos la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección Ambiental (LGEEPA) y la Norma Oficial Mexicana NOM-052-SEMARNAT-2005, establecen ciertos lineamientos en cuanto al daño que se pudiera ocasionar al subsuelo, esto con el propósito de evitar cualquier tipo de multa o clausura temporal de la referida instalación en caso de tener alguna inspección por parte de la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (PROFEPA).

SEGURIDAD E HIGIENE

Reglamento Federal de Seguridad, Higiene y Medio Ambiente de Trabajo.

En las instalaciones eléctricas permanentes o provisionales de los centros de trabajo deberán diseñarse e instalarse con los dispositivos y protecciones de seguridad, así como señalizarse de acuerdo a la tensión y corriente de la carga instalada, atendiendo a la naturaleza de las actividades laborales y procesos industriales.

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4.2.1 TIERRA FISICA

ESTUDIO DEL TERRENO

Para conocer que tan buen conductor de la electricidad es el terreno, es necesario conocer su resistividad o resistencia específica, las rocas, la arena y suelos secos tienen alta resistividad, es decir, presentan mayor oposición al paso de la electricidad, caso contrario, los terrenos con alto contenido de humedad tienen baja resistividad. Por lo tanto, es necesario conocer la resistividad del terreno para poder efectuar un diseño adecuado del sistema de tierra.

RESISTIVIDAD DEL TERRENO

La resistividad también conocida como resistencia específica, es la propiedad que tiene el terreno para conducir electricidad, la cual está determinada por el tipo de terreno, el contenido de humedad del mismo, su composición química y la temperatura entre otros factores. La resistividad se mide en Ω-m. Existen dos formas para determinarla, una es empírica mediante tablas y conocimiento del terreno y la otra efectuando la medición directamente en el terreno.

Para determinar las características del suelo, normalmente se obtienen muestras hasta una profundidad razonable que pueda permitir juzgar la homogeneidad y condiciones de humedad o nivel de aguas “freáticas”. La clase del terreno es de vital importancia para un buen sistema de tierras. Existen un gran número de tablas que muestran los rangos de resistividad de varios tipos de suelos y piedra. Una clasificación general se muestra en la tabla 1.4. Basada en la norma IEEE Std. 80/2000.

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FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

La resistividad es dependiente de varios parámetros como son: clase de suelo, humedad, temperatura, y porcentaje de concentración de sales en el terreno, etc.

CLASE DE SUELOEl suelo se comporta como un conductor y su resistencia va a depender del tipo de suelo que se tenga ya sea arena, roca, tepetate, arcilla, etc.

HUMEDAD DEL TERRENOCuanto mayor sea la humedad del terreno, la resistencia eléctrica del terreno disminuye. Para un buen sistema de tierras, se elegirá un terreno suficientemente húmedo. La resistividad de los suelos se eleva abruptamente, cuando el contenido de humedad cae por debajo de 22% por peso. Esto se puede constatar en la curva 2 de la figura 1.18. Por lo tanto, siempre que sea posible, el sistema de electrodos deberá enterrarse a una profundidad tal que permita un contacto seguro con la tierra permanentemente húmeda. Las cubiertas con grava o piedra triturada, usualmente de ocho a diez centímetros de espesor, son útiles para retardar la evaporación de la humedad y por lo tanto limitan el reconocimiento de la capa superior durante periodos prolongados de sequía; así como también, sirve para reducir la magnitud de las corrientes de choque.

SALINIDAD DEL TERRENOAl aumentar la salinidad del terreno, la resistencia eléctrica del terreno disminuye considerablemente. Esto se puede observar en la curva 1 de la figura 1.18. Para un buen sistema de tierras, conviene tratar el terreno con sal común ya que ayuda a conservar la humedad del terreno, aunque últimamente debido a problemas de corrosión se utilizan compuestos químicos con las mismas propiedades de las sales pero sin su poder corrosivo. También, para disminuir la resistividad del subsuelo, se le disuelven sustancias de alta conductividad en solución acuosa como son: Sulfato de cobre, cloruro de calcio, sulfato de magnesio, cloruro de sodio, azufre, rocas de sal combinadas con agua.

TEMPERATURA DEL TERRENOLa temperatura del terreno es un factor importante, pues si la temperatura de un determinado tipo de suelo es de un valor elevado, a pesar de que se trate de una zona en donde el suelo absorba fácilmente la humedad, debido a la temperatura tan elevada del terreno la poca humedad retenida en el suelo se perderá, haciendo que el suelo adquiera un valor de resistividad muy alto. El agua a temperaturas extremadamente bajas es mala conductora y la resistividad de un terreno también está en función del contenido de humedad, por lo que en zonas frías la resistividad puede ser grande. Las temperaturas de 0° C o menores, congelan el agua contenida en el terreno aumentando su resistencia eléctrica. En la curva 3 de la figura 1.18 se ilustra la variación característica de la temperatura para un suelo determinado. La temperatura ideal es no menor de 10° C pero como no es práctico calentar el terreno, surge la necesidad de enterrar los electrodos

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hasta una profundidad que alcance capas menos frías de la tierra y por ello, fuera de la zona de congelación del agua.

Cuanta más alta sea la temperatura del terreno, menor será su resistencia eléctrica

RESISTENCIA DE LA MALLA DE TIERRAS

Este valor es tal vez el más importante de un diseño de una red de tierras, ya que, en una falla el potencial que se presenta está en función de la corriente de corto circuito y de la resistencia. La resistencia de la subestación depende en primera instancia del área que va a ser ocupada por el sistema de tierra, la cual es conocida desde el comienzo del diseño.

La NRF-011-CFE-2005 indica que la estimación de la resistencia de tierra preliminar, debe efectuarse tomando en consideración los valores siguientes:

Para subestaciones de potencia en Alta Tensión a nivel de transmisión y subtransmisión, el valor de la resistencia de la malla de tierra debe ser alrededor de 1 Ω o menor.

Para subestaciones de potencia de Media Tensión el valor de la resistencia debe ser entre 1 a 4 Ω.

Para subestaciones de distribución de Media Tensión el valor de la resistencia de tierra debe ser como máximo de 5 Ω.

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Cuando se diseña la red se puede calcular la resistencia esperada mediante algunas fórmulas, una fórmula sencilla es la que considera una placa circular a cero profundidad, para esto es necesario medir la resistividad en forma previa.

En una segunda aproximación se puede recurrir a la fórmula Laurent y Niemann, donde se considera la longitud de los conductores de la malla (conductores horizontales) combinada con los electrodos de tierra.

Donde:

L es la longitud de los conductores enterrados en m

Para una mayor exactitud, se adiciona la profundidad de la red de tierra, por lo tanto:

Donde:

h es igual a la profundidad de la malla de tierra en m

Para mallas sin varillas de tierra esta fórmula ha sido probada y ha dado resultados prácticamente idénticos.

MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

Las estimaciones basadas en la clasificación del suelo dan únicamente una aproximación de la resistividad. La prueba de resistividad es obligada en la actualidad. Esta deberá realizarse en varios lugares dentro del sitio. Son muy raros los lugares de la subestación en

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donde el suelo puede tener resistividad uniforme a través del área entera a una considerable profundidad.

Generalmente, tienen varias capas, cada una con diferente resistividad. La variación de resistividad lateral es menor en comparación con la variación de la resistividad horizontal.

Las pruebas de resistividad del suelo deberán de determinar alguna variación importante de la resistividad con respecto a la profundidad. Como regla el número de lecturas realizadas deberán de ser tan grandes como las variaciones, especialmente si alguna de las lecturas tomadas es alta, que pueda ocasionar posiblemente problemas de seguridad.

Si la resistividad varía apreciablemente con la profundidad, es recomendable incrementar en el rango de los espaciamientos de prueba. La idea es que podamos tener una estimación de manera muy exacta para grandes espaciamientos fijos por extrapolación.

Esto es posible porque al incrementar el espaciamiento de la prueba, la fuente de corriente de la prueba penetra más y más a áreas distantes, en las direcciones horizontal y vertical, a pesar de la cantidad de trayectorias de corriente que se distorsionan debido a las variaciones de las condiciones del suelo.

La investigación en campo del lugar en que se va a ubicar una planta subestación, es esencial para determinar la composición general del suelo y obtener algunas ideas básicas acerca de su homogeneidad. Las muestras de campo para los estudios de mecánica de suelos son muy útiles, ya que nos proporcionan información sobre las diferentes capas del subsuelo y los materiales que las componen, dándonos una idea del rango de su resistividad.

El valor de la resistividad del suelo que se usará en el diseño de la red de tierras, generalmente se determina con pruebas de campo en el lugar donde se ubicará la planta o subestación. Debido a que existen variaciones en el sentido horizontal y vertical en la composición del suelo, es conveniente realizar las pruebas de campo en varios lugares del terreno. La mayor cantidad de datos obtenidos en las pruebas, nos permitirá seleccionar con mayor precisión el modelo de suelo a usar en el diseño de nuestra red.

MÉTODOS PARA LA MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

MÉTODO WENNE

El método más utilizado comúnmente es el de Frank Wenner denominado también “de los cuatro electrodos o cuatro puntos”. Consiste básicamente en 4 electrodos enterrados dentro del suelo a lo largo de una línea recta, a igual distancia “a” de separación, enterrados a una profundidad “b”. La tensión entre los dos electrodos interiores de

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potencial es medida y dividida entre la corriente que fluye a través de los otros dos electrodos externos para dar un valor de resistencia mutua (Ω). El equipo de medición es el Megger de tierra y la medición se efectúa como se muestra en la figura 1.19.

De donde obtenemos la siguiente ecuación:

Donde:P es la resistividad aparente del suelo en Ω·mR es la resistencia medida en Ωa es la separación entre electrodos adyacentes en mb es la profundidad de los electrodos en m

Analizando la ecuación (1.10) vemos que el valor de "b" con respecto a "a" es más pequeño, entonces la ecuación puede simplificarse como:

El método de Wenner a pesar de que se publicó en el año de 1915 continua vigente, y los métodos diferentes para medir la resistividad que se han desarrollado se basan en su teoría. Cabe aclarar que este método es para un suelo homogéneo, esto quiere decir que cuando el suelo es de una sola capa se pueden efectuar mediciones de resistividad con diferentes separaciones de electrodos y el valor de resistividad será el mismo.

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Si el suelo es heterogéneo, es decir, cambian sus propiedades a cierta profundidad en dos o más capas entonces la medición de resistividad cambiará con la separación de los electrodos.

En la configuración de Wenner el arreglo de electrodos usual es (C1P1P2C2), se puede tener otro arreglo de electrodos como se muestra en la tabla 1.5.

MÉTODO SCHLUMBERGER-PALMERUna desventaja del método Wenner es el decremento rápido de la magnitud de la tensión entre los dos electrodos interiores cuando su espaciamiento se incrementa a valores muy grandes. Para medir la resistividad con espaciamientos muy grandes entre los electrodos de corriente puede usarse este arreglo. (Ver figura 1.20).

La corriente tiende a fluir cerca de la superficie para pequeños espaciamientos entre los electrodos, considerando que la mayor parte de la corriente que penetra depende del espaciamiento entre los electrodos. Así se asume que la resistividad medida para un espaciamiento entre electrodos “a” representa la resistividad aparente del suelo a una profundidad “b”. La información de las mediciones de resistividad puede incluir datos de temperatura e información sobre las condiciones de humedad del suelo en el tiempo en

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que se realizó la medición. Todos los datos válidos sobre los conductores enterrados que ya se conocen o se suponen para el estudio de área deberán anotarse.

Los conductores desnudos enterrados que se encuentran en contacto con el suelo pueden invalidar lecturas realizadas por el método descrito si están bastante juntos de manera que alteren la trayectoria del flujo de la corriente. Por ésta razón, las mediciones de resistividad del suelo son de menor valor en un área en donde una malla de conductores ya ha sido instalada, excepto, tal vez para mediciones poco profundas dentro o cerca del centro de una gran malla rectangular. En tales casos una lectura poco aproximada deberá ser tomada a corta distancia fuera de la malla, con los electrodos en tal posición que minimicen el efecto de la malla sobre las trayectorias de flujo de corriente.

Sin embargo no es necesario hacer dichas consideraciones dentro de la malla, tales anotaciones pueden ser usadas por medio de una aproximación, especialmente si hay una razón para creer que el suelo en la totalidad del área es razonablemente homogéneo. Los electrodos de potencial se localizan lo más cerca de los correspondientes electrodos de corriente, esto incrementa el potencial medido.

La fórmula empleada en este caso se puede determinar fácilmente. Si la profundidad de los electrodos es pequeña comparada con la separación “d” y “c”, entonces la resistividad aparente puede calcularse como:

Además, con valores grandes de d/L, las variaciones de los valores medidos debidas a irregularidades en la superficie se reducen dando mediciones más precisas.

PROCEDIMIENTO PARA MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD EN CAMPO

Se recomienda realizar las mediciones en la época de menor humedad anual. Los registros de mediciones de resistividad deben incluir datos de temperatura e información acerca de las condiciones de humedad del suelo o resequedad del mismo y la época en que se mide la resistividad. (NRF-011-CFE-2004 Sección 7.1.4)

Paso 1. Se debe dividir el terreno en cuadros de 10 por 10 metros, cada cuadro va a formar una sección, se deben enumerar en un plano las secciones que resulten.

Paso 2. Seleccionar aleatoriamente las secciones en donde se van a realizar las mediciones, de preferencia la mayor parte de las secciones seleccionadas deberán estar en la periferia del terreno.

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Paso 3. Trazar una diagonal en cada sección que va a ser muestreada. (Ver figura 1.21).

Paso 4. Partiendo del centro de la diagonal colocar las cuatro varillas en el suelo a una profundidad mínima de 20 cm de acuerdo a las condiciones del terreno, formando una línea recta entre ellas, evitando la existencia de huecos alrededor de las varillas.

Paso 5. Se traza una línea de prueba en diagonal al área bajo análisis, y comenzando al centro de la línea se procede a variar la separación de las puntas de prueba a 0.5, 1, 2 y 3 metros como mínimo.

Paso 6. Las terminales de corriente del instrumento C1 y C2 se conectan a las varillas de los extremos y las de potencial P1 y P2 a las varillas intermedias.

Paso 7. Se energiza el instrumento y se toman las lecturas respectivas de resistencia en Ω.

Paso 8. Se calcula la resistividad mediante las fórmulas antes mencionadas.

Paso 9. Las lecturas obtenidas se reportan en tablas.

Paso 10. Se trazan las gráficas de resistividad (ρ) contra la separación “a” para cada sección.

Paso 11. El valor de la resistividad media del terreno será el promedio del valor resultante obtenido en cada sección, sí estas no tienen una variación de más del 30%, en caso contrario se debe de calcular un promedio con el valor más alto y el valor más bajo de las resistividades promedio de las secciones.

MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DEL SISTEMA DE TIERRAS

Existen dos tipos de pruebas fundamentalmente. Las demás son variaciones de éstas.

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Aunque muy parecidas, los resultados de las mediciones no son exactamente los mismos.Los métodos son:

Método de Caída de Potencial Método Directo (También conocido como: Dos Puntos)

MÉTODO DE CAÍDA DE POTENCIAL (62 %)

Este procedimiento involucra la utilización de dos electrodos auxiliares, uno de potencial y otro de corriente. Consiste en inyectar una corriente por (C1/P1) en el electrodo bajo prueba y se hace regresar por el electrodo auxiliar de corriente (C2). Al pasar la corriente por la tierra, una caída de tensión existirá entre (C1/P1) y el electrodo auxiliar de potencial (P2). Dentro del aparato se calcula la resistencia por medio de la ley de ohm. La figura 1.22, muestra el arreglo de las varillas.

El método requiere que por lo menos exista un espaciamiento entre (C1/P1) y (C2) de 15 m, y que se grafiquen los valores de resistencia obtenidos contra la distancia de (0) a (P2). La gráfica mostrara un incremento gradual de resistencia a tierra mientras (P2) está en la zona cercana a (0). Cuando (P2) sale de esa zona pero no ha entrado en la zona de (C2), la

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gráfica mostrará una meseta en los valores. Este aplanamiento obtenido se ha demostrado teóricamente que se logra cuando (P2) está localizado al 62% de la distancia entre (0) y (C2) y es cuando obtenemos el valor de resistencia real del electrodo (Rr). Si la curva no presenta un tramo paralelo, quiere decir que la distancia escogida no es suficiente. (Ver figura 1.23).

Esta es la razón por la que también se le llama a este método el "de 62%". Sin embargo, este método tiene la limitante de que depende en gran medida de enterrar los electrodos en una zona alejada de objetos conductores Por lo general, para medir mallas a tierra se emplea el método de caída de potencial mencionado arriba, con la variante, que los electrodos deben ser colocados a mayor distancia.

MÉTODO DIRECTO (DOS PUNTOS)Este método involucra únicamente el electrodo bajo prueba y un punto de referencia, presumiblemente en buen contacto con la tierra y por ello con valor cercano de resistencia a tierra de cero ohm. De ahí que el valor obtenido es aproximadamente la resistencia a tierra del sistema pequeño más la resistencia de los cables de prueba. (Ver figura 1.24).

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La limitación está en la elección del punto de referencia puesto que en muchos casos las tuberías aparentemente metálicas en toda su extensión, tienen partes de PVC.

PROCEDIMIENTO PARA MEDICIÓN DE RESISTENCIA EN CAMPO

Paso 1. Seleccionar la dirección en que se va a realizar las mediciones, evitando la influencia de líneas de transmisión es decir que la línea de acción sobre la cual vamos a realizar las mediciones no esté debajo de líneas de transmisión.

Paso 2. Las dos terminales (P1 y C1) del aparato de prueba se puentean para conectarse directamente al electrodo de la red de tierra que se pretende probar (este cable debe ser de longitud corta).

Paso 3. Las varillas de prueba P2, C2 deberán clavarse a una profundidad de 50 a 60 cm aproximadamente. La distancia (d) del electrodo bajo prueba de la red de tierra al electrodo de potencial (P2) puede variar (3, 6, 10 mts.) de acuerdo con el criterio de la persona que efectúa la prueba y en cada punto se toma la lectura de resistencia.

Paso 4. La distancia (L) a la que se debe clavar el electrodo de corriente C2 debe ser igual o mayor a 10 veces la longitud del electrodo bajo prueba. Generalmente en Comisión Federal de Electricidad se utilizan electrodos (varillas de tierra) de tres metros de longitud y un diámetro de 19 mm. Por lo anterior la distancia del electrodo de prueba al electrodo de potencial es de 18 metros (62 % aprox.) y la distancia del electrodo bajo prueba al electrodo de corriente es de 30 metros.

Paso 5. Se energiza el instrumento y se toman las lecturas respectivas de resistencia en Ω.

Paso 6. En la última medición se cortocircuita el electrodo de potencial con el electrodo bajo prueba, el valor obtenido se resta al valor real de la resistencia.

Paso 7. Se debe realizar esta medición en época de estiaje.

APARATOS PARA LA MEDICIÓN

Los aparatos de mayor uso para la medición de la resistividad de la tierra son conocidos como megger de tierras. Y pueden ser del tipo analógico o digital.

El megger es un instrumento de medición, en el que el valor de la resistencia que se mide se registra directamente sobre una escala y esta indicación es independiente de la tensión. El megger consta de dos partes principales: Un generador de corriente continua, y el mecanismo del instrumento por medio del cual se mide el valor de la resistencia que se busca.

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En la actualidad los instrumentos para la medición de la resistividad son digitales y nos proporcionan la lectura directamente en ohms, como lo muestra la figura. (Ver figura 1.25).

MÉTODOS DE REDUCCIÓN DE VALORES DE RESISTENCIA DE LA RED DE TIERRAS Y RESISTIVIDAD DEL TERRENO

REDUCCIÓN DE LA RESISTENCIA DE LA RED DE TIERRASLa resistencia a tierra se puede definir como la resistencia que ofrece un sistema de tierra al paso de la corriente eléctrica. Este valor de resistencia depende de la resistividad del terreno, las características físicas del electrodo a tierra (diámetro, área, longitud, etc.) y de la longitud y el área de los conductores.

En áreas en donde el espacio de la subestación es reducido, como es el caso de subestaciones aisladas en gas, las cuales ocupan solamente una fracción del espacio ocupado por una subestación convencional, no es posible obtener un sistema de tierras de baja impedancia y esto a menudo hace difícil el control de los gradientes superficiales. Para lo cual algunas de las soluciones son:

El uso de varillas de tierra profundas y buenas perforaciones de tierra, en combinación con tratamientos químicos del suelo.

En lo que respecta al uso de tapetes de conductor, en áreas expuestas es factible combinar materiales aislantes y tapetes hechos de alambre mallado, metal expandido o parrillas; primero para igualar los gradientes cercanos a la superficie y después para reducir la conductancia desde la superficie hacia las estructuras metálicas debajo del suelo. Una aplicación practica de las mallas puede consistir de alambre de acero recubierto con cobre del calibre 6 AWG, en un arreglo de malla con separaciones de 0.6 x 0.6 m instalado debajo de la tierra a una profundidad de 0.05 a 0.15 m y sobre la malla de tierras principal, la cual esta instalada a mayor profundidad usualmente entre 0.3 y 0.5 m.

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En donde sea factible, se pueden usar otros medios validos para reducir la resistencia del sistema de tierras, tales como conectar alambres estáticos y neutros a tierra. Generalmente se habilita el uso de elementos metálicos en estos lugares para que puedan servir como electrodos de tierra auxiliares o como ligaduras hacia otros sistemas. Las consecuencias de estas aplicaciones, tienen que ser cuidadosamente evaluadas.

Conexiones a mallas de tierras remotas y/o tierras adyacentes disponibles; un sistema combinado que utilice instalaciones separadas dentro de edificios, bóvedas subterráneas, etc. Un uso predominante de electrodos de tierras remotos requiere cuidadosas consideraciones sobre los potenciales transferidos, localización de apartarrayos y de otros puntos críticos. Una considerable caída de potencial puede desarrollarse entre el local y la tierra remota.

Un dispositivo próximo de material de baja resistividad o de suficiente volumen puede ser usado para una malla extra (satélite). Esta malla satélite, cuando esta debidamente conectada a la malla principal, disminuirá la resistencia del sistema de tierras y por lo tanto la elevación del potencial de tierra de la malla. Este material próximo de baja resistividad puede ser un depósito de arcilla o parte de una gran estructura, tal como la mole de concreto de la represa de una hidroeléctrica.

REDUCCIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENOLa superficie de la tierra tiene una conductividad muy baja ya que dos de sus componentes principales; el óxido de silicio y el óxido de aluminio son excelentes aislantes eléctricos a ciertas temperaturas, sin embargo, la conductividad del terreno se debe a la cantidad de humedad y sales absorbidas por el terreno.

Debido a la gran resistividad eléctrica de la tierra, todas las corrientes que fluyen por ella producen una caída de tensión considerable, por lo tanto, se hace necesario romper el concepto de que el potencial de la tierra es siempre cero. Por el contrario, pueden desarrollarse en su seno fuertes intensidades de campo eléctrico o gradientes de potencial que afecta a extensas regiones de la superficie terrestre, esto se acentúa en vista de que ésta no es homogénea y sufre variaciones estacionales (por lluvia, hielo, etc.) y otras causas que dificultan los cálculos con mayor precisión.

A menudo es imposible conseguir la reducción de resistencia de tierra deseada mediante la adición de más conductores o varillas a la red de tierra. Una solución alternativa es mediante la modificación del suelo que rodea el electrodo. El depósito de suelo más cercano a los electrodos normalmente comprende la mayor parte de resistencia de los electrodos de tierra.

De tal forma que la resistividad del terreno, se puede mejorar mediante tratamientos químicos, los cuales se mencionan a continuación:

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Cloruro de Sodio, Cloruro de Calcio, Magnesio, Cobre y Sulfatos.- Sirven para aumentar la conductividad del suelo que rodea inmediatamente a un electrodo.

Cloruro de Sodio más Carbón Vegetal.- El Cloruro de Sodio forma una solución verdadera muy conductiva que se precipita fácilmente junto con el agua por efecto de filtración, y evapotranspiración; la solución salina tiene una elevada actividad corrosiva con el electrodo, reduciendo considerablemente su tiempo de vida útil, la actividad corrosiva se acentúa si el electrodo es de hierro cobreado (copperweld). Si bien es cierto que el cloruro de sodio disuelto en agua no corroe al cobre (por ser un metal noble) no es menos cierto que la presencia de una corriente eléctrica convertirá al sistema, cobre-solución, en una celda electrolítica con desprendimiento de cloro y formación de hidróxido de sodio en cuyo caso ya empieza la corrosión del cobre. El objetivo de la aplicación del Carbón Vegetal molido, es aprovechar la capacidad de éste para absorber la humedad del medio y retener junto a ésta algunos de los electrolitos del cloruro de sodio que se filtran constantemente. Si un terreno es tratado con sales, este debe hacerse periódicamente y obliga a un seguimiento frecuente del comportamiento de los valores de resistencia de tierra, pues de lo contrario este regresa a su estado natural en 3 ó 4 años, ya que las sales pierden sus propiedades.

Bentonita.- La bentonita se usa como medio artificial para bajar la resistividad del terreno y a la vez reducir el valor de resistencia a tierra. No es corrosiva, tiene una resistividad de 2,5 ohm-m a 300% de humedad. Siempre con una cantidad suficiente de agua, se hincha hasta 13 veces su volumen en seco y se adhiere a casi cualquier superficie. Una vez instalada, la bentonita se basa en la presencia de humedad del suelo para mantener sus características. La mayoría de los suelos tienen suficiente humedad por lo cual no es una preocupación. Si se exponen a la luz solar directa, tiende a sellar, previniendo el proceso de secado de las partes más profundas. Puede no funcionar bien en un entorno muy seco, ya que al perder el agua, pierde conductividad y resta toda compactación, lo que deriva en la pérdida de contacto entre electrodos y el medio, elevándose la resistencia porque puede encogerse lejos del electrodo, aumentando así la resistencia del electrodo. Una vez que la bentonita se ha secado, su capacidad de absorber nuevamente agua, es casi nula. Básicamente el uso de ésta consiste en ocupar las grietas, aberturas y huecos que existen o se forman en el terreno, formando una gran superficie de contacto, facilitando el drenado de corrientes eléctricas a tierra. Los materiales como el magnesio, bentonita o carbón vegetal, usualmente retardan la evaporación de la humedad del suelo sobre todo en épocas prolongadas de estiaje, permitiendo abatir y conservar la resistividad.

OBSERVACIÓN: En la actualidad existen diferentes compuestos para mejorar la resistividad del terreno los cuales son a base de geles o minerales, su uso esta restringido a instalaciones donde no se presentan grandes potenciales, hasta el momento no se conoce su utilización en la construcción de subestaciones eléctricas de potencia.

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Gel.- Es un compuesto químico complejo, que se forma cuando se mezclan en el terreno las soluciones acuosas de sus 2 componentes. El compuesto químico resultante es una mezcla homogénea de dos o mas sustancias y es especial para el tratamiento químico electrolítico de las puestas a tierra, este componente viene usándose mayormente por sus buenos resultados, debido a que posee sales concentradas de metales que neutralizan la corrosión de las sales incorporadas, como también aditivos para regular el PH y acidez de los suelos.

Compuesto Mejorador de Tierras.- Está hecho a base de minerales naturales que no dañan el medio ambiente formado de grafito, carbón, cemento hidráulico, cuarzo de cristal y cloruro de calcio.

NOTA: Estas soluciones se realizarán de acuerdo a las observaciones y/o recomendaciones de la Ley del Equilibrio Ecológico y la Protección Ambiental (LGEEPA) y la Norma Oficial Mexicana NOM-052-SEMARNAT-2005, esto con el propósito de evitar cualquier tipo de multa o clausura temporal de la referida instalación en caso de tener alguna inspección por parte de la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (PROFEPA).

PRECAUCIONES A CONSIDERAR EN LA APLICACIÓN DE COMPUESTOS QUÍMICOS

Se debe tener precaución al instalar en los electrodos o en la red, rellenos para aparentemente favorecer la disminución de la resistencia de tierra, debido a que las propias características químicas y físicas pueden corroer o sulfatar a los elementos que conforman la red o electrodos enterrados, e incrementar, con el tiempo, el valor de la resistencia de tierra, por lo cual se recomienda lo siguiente:

No utilizar carbón mineral sin molerse No aplicar carbón mineral tipo coke como único material de relleno químico,

debido a que no posee ningún aglutinante. No emplear sal debido a que afecta a los electrodos y emigra hacia capas

inferiores. No utilizar rebabas o recortes metálicos, ya que aceleran la oxidación y la

degradación de los electrodos No es recomendable utilizar sólo el yeso o únicamente la bentonita como relleno

químico, debido a que cuando pierden humedad dejan huecos y disminuyen la continuidad en la superficie de dispersión de corriente.

USO DE LA CAPA DE MATERIAL SUPERFICIAL

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Las cubiertas de grava o de cualquier otro material superficial usualmente de 0.08 a 0.15 m de espesor son muy útiles para retardar la evaporación de la humedad y de esta forma limitar la resequedad de las capas superiores del suelo durante prolongados periodos de sequia. También las cubiertas de materiales con alta resistividad son muy válidas para reducir las corrientes de contacto, ya que incrementan la resistencia de contacto entre el suelo y los pies del personal de la subestación.

Si el terreno tiene una resistividad menor que la de la grava, solamente una parte de la corriente de la malla irá hacia la capa superior de la grava y la tensión superficial será muy próxima a la misma que se originaría si no existiera dicha capa. La corriente a través del cuerpo será considerablemente más baja con la adición de la capa de grava en la superficie, por la gran resistencia de contacto entre el terreno y los pies.

Sin embargo esta resistencia puede ser considerablemente menor que aquella que presenta una capa de grava con un espesor suficiente para suponer resistividad uniforme en todas las direcciones. La reducción depende de los valores de la resistividad del suelo y del material superficial, así como el grosor del material superficial.

Si el suelo de bajo de la capa superficial tiene una resistividad mayor que la de la capa superficial, entonces una gran cantidad de la corriente de malla se disipara a través de la delgada capa del material superficial.

La ecuación empírica 1.14 nos proporciona el valor de el factor de reducción de la capa superficial “CS“.

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La tabla 1.6 nos da valores típicos de resistividad para diferentes tipos de materiales superficiales.

CORRIENTES TOLERABLES POR EL CUERPO HUMANO

La conducción de grandes corrientes a tierra en instalaciones eléctricas, debidas a disturbios atmosféricos o fallas del equipo, obliga a tomar precauciones para que los gradientes eléctricos o las tensiones resultantes no ofrezcan peligro a los operadores, o en general al personal que labora en las plantas.

Para poder tomar precauciones, es necesario conocer los límites de corriente que tolera el cuerpo humano, los cuales se especifican a continuación.

Los efectos fisiológicos más comunes de la corriente eléctrica sobre el cuerpo, indicados por el incremento de la magnitud de la corriente son: umbral de la percepción, contracción muscular, pérdida del conocimiento, fibrilación del corazón, obstrucción respiratoria y quemaduras.

Corriente de 1 mA, es conocido generalmente como el umbral de percepción, que es, la magnitud de corriente con la cual una persona es capaz de detectar una ligera sensación de hormigueo en sus manos o en la punta de los dedos causada por la corriente que circula por su cuerpo en ese momento.

Corrientes de 1-6 mA, se catalogan a menudo como corrientes de liberación, aunque son desagradables de soportar, generalmente, no afectan la capacidad de una persona de controlar sus músculos para liberar un objeto energizado que este sosteniendo.

En el rango 9-25 mA, las corrientes son dolorosas y se dificulta o es casi imposible liberar objetos energizados sujetados con la mano. Debido a las corrientes elevadas, las contracciones musculares pueden dificultar la respiración. Este efecto no es permanente y desaparece cuando se interrumpe el flujo de corriente, a menos que la contracción sea muy severa y la respiración se detenga, no por segundos sino por minutos será necesario aplicar la resucitación artificial (primeros auxilios).

En magnitudes de corriente, del rango de 60-100 mA, se puede presentar la fibrilación ventricular, el paro respiratorio o el paro cardiaco, ocasionando algún daño o incluso la muerte.

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Por consiguiente, se puede considerar que un valor seguro para un corazón sano es de 25 mA. A través de él, naturalmente es importante el tiempo de duración de dicha corriente que va desde 0.03-3 segundos.

Si las corrientes tolerables pueden mantenerse por debajo de estos valores, con un sistema cuidadosamente diseñado a tierra, las lesiones o la muerte puede evitarse. Según el estudioso Dalziel, cuyas investigaciones fueron publicadas en la IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding IEEE Std 80 – 2000 (Revisión of IEEE Std 80 – 1986); desarrolló una relación empírica en base a la experiencia de voluntarios, concluyendo que de un 99.5% de los hombres participantes en los experimentos (sin fibrilación) respondía a la siguiente fórmula:

Despejando las variables tenemos que la Corriente Máxima Admisible en el cuerpo humano es:

Para personas con un peso promedio de 50 kg

Para personas con un peso promedio de 70 kg Valida en el rango de 0.03 a 3 segundos.

RAPIDEZ DE LIBRAMIENTO DE LA FALLA

Considerando la importancia de la duración de la falla, e implícitamente el factor de exposición del accidente, la rapidez de libramiento de la falla a tierra es ventajosa por diversas razones:

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1) La probabilidad de un choque eléctrico es enormemente reducida debido a la rapidez de libramiento de la falla, en contraste con situaciones en las cuales la corriente de falla puede persistir por algunos minutos o posiblemente horas.

2) Las pruebas y experiencias muestran que la probabilidad de un daño violento o la muerte es reducida si la duración de la corriente que fluye a través del cuerpo es muy corta.

3) Al librar de manera rápida la falla, los equipos y conductores sufren menor daño en sus aislamientos, ya que evita un calentamiento provocado por la misma.

4) El sistema eléctrico nacional se ve afectado al mantener por un tiempo prolongado la falla, esto ocasiona un desbalanceo e inclusive puede llegar a colapsar a éste.

El valor de la corriente permisible puede sin embargo estar basado en el tiempo de libramiento de los dispositivos de protección primaria o de la protección de respaldo.Un caso excepcional tendría que ocurrir para que lo anterior, es decir el corto tiempo combinado probablemente con una falla en el relevador coincidieran con otros factores adversos necesarios para producir un accidente. Es más conservador escoger el tiempo de libramiento del relevador de respaldo para asegurar un margen de seguridad mayor.

Un incentivo adicional para usar tiempos de apertura menores de 0.5 segundos es el resultado de las investigaciones realizadas, las cuales proveen evidencias que el corazón humano llega a incrementar la sensibilidad a fibrilación ventricular cuando el tiempo de exposición de ésta corriente se acerca al periodo de los latidos del corazón, pero que el peligro es mucho más pequeño si el tiempo de exposición de la corriente esta dentro del rango de 0.06 a 0.3 segundos.

En realidad, los altos gradientes de tierra debido a fallas son usualmente infrecuentes, y los choque debido a esta causa son aún más. Además ambos eventos son a menudo de muy corta duración.

RESISTENCIA DEL CUERPO HUMANO

Los efectos de la electricidad sobre el cuerpo humano, dependen esencialmente de los siguientes factores:

La intensidad de la corriente El tipo de corriente (continuo, a la frecuencia industrial o de 60 Hz, o bien

corrientes de alta frecuencia) La trayectoria seguida por la corriente en el cuerpo humano Las condiciones del individuo en el momento del contacto

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Para la corriente directa y para la corriente alterna a frecuencias de 50 Hz y 60 Hz, el cuerpo humano puede representarse por una resistencia. La resistencia está medida entre extremidades, esto es, entre una mano y ambos pies o entre un pie y otro. La resistencia interna del cuerpo es de aproximadamente 300 Ω, mientras que los valores de resistencia del cuerpo incluyendo la piel varía de 500 Ω a 3000 Ω, como sugiere Danziel.

La resistencia del cuerpo humano disminuye con el daño o perforación de la piel en el punto de contacto. Sin embargo la resistencia de contacto de una mano húmeda puede ser muy baja a cualquier tensión. El valor de la resistencia de los zapatos es incierto, aunque éste puede ser mucho más bajo que para la piel húmeda.

Para fines de cálculo se han hecho las siguientes consideraciones:

1. Las resistencias de contacto para las manos y los pies es igual a cero.2. Las resistencias de guantes y zapatos es igual a cero.

La resistencia del cuerpo humano según Dalziel y la estimación de la guía IEEEStd. 80/2000 es de:

Para representar el valor de resistencia del cuerpo humano, de una mano a ambos pies, entre mano y mano o entre un pie y el otro.

La resistencia del terreno debajo de los pies, puede hacer fluctuar apreciablemente la resistencia del cuerpo humano. Los pies pueden ser considerados equivalentes a una superficie de un plato circular (electrodo) con un radio de 8 cm aproximadamente y la resistencia del terreno puede ser calculada en términos de resistividad (ohms - metro) del terreno (ps) cerca de la superficie.

Para propósitos prácticos, Rf para cada pie puede ser asumida de 3 ps.

Esto ha determinado que la resistencia de dos pies en serie (contacto de paso) es aproximadamente 6 ps y la resistencia de dos pies en paralelo (contacto de toque) es aproximadamente 1.5 ps.

TENSIONES PELIGROSAS

Cuando se toca el electrodo de tierra o bien la instalación de puesta a tierra sin aislar y un punto cualquiera de tierra, la persona queda sometida a una tensión de contacto en el caso de producirse un defecto.

Es conveniente también, hacer notar que la resistencia eléctrica del cuerpo humano, es muy variable (de algunos cientos hasta miles de ohms); por lo que los valores de tensión

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que aplicados al cuerpo humano se consideran peligrosos, se deben definir en forma conservadora. Las instalaciones del sistema de tierras y protecciones adecuadas y coordinadas, constituyen el medio principal para limitar dicha tensión. (Ver figura 1.26).

TENSIÓN DE PASO (Epaso)

Es la diferencia de potencial superficial que puede experimentar una persona con los pies separados un metro de distancia sin hacer contacto con algún objeto aterrizado. (Ver figura 1.27).

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Del circuito se obtiene la fórmula:

La resistencia total del circuito es:

Sustituyendo tenemos que:

Tomando en cuenta una resistencia del cuerpo RB = 1000 Ω. Y considerando los pies como electrodos podemos decir que la RF para cada pie es de 3 ps

Si ninguna capa protectora superficial es usada, entonces CS = 1 y ps = p

Y la corriente máxima admisible IB es igual a:

Tenemos que la fórmula para la tensión de paso será:

Para personas con un peso promedio de 50 kg

Para personas con un peso promedio de 70 kg

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TENSIÓN DE CONTACTO (Econtacto)

Es la diferencia de potencial que podría experimentar una persona a través de su cuerpo cuando se presenta una corriente de falla en la subestación eléctrica y al mismo tiempo tiene una mano o parte de su cuerpo en contacto con una estructura puesta a tierra. (Ver figura 1.28).

NOTA: Bajo condiciones normales, la tierra del equipo eléctrico opera a potenciales de tierra cercanos a cero, esto es el potencial de un conductor neutro aterrizado es próximo o idéntico al potencial de la tierra remota. Durante una falla a tierra, la porción de corriente de falla que es conducida por la malla de tierras de la subestación hacia la tierra causa una elevación de potencial con respecto a la tierra remota.

Del circuito se obtiene la fórmula:

La resistencia total del circuito es:

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Sustituyendo tenemos que:

Tomando en cuenta una resistencia del cuerpo RB = 1000 Ω. Y considerando los pies como electrodos podemos decir que la Rf para cada pie es de 3 ps

Si ninguna capa protectora superficial es usada, entonces CS = 1 y ps = pY la corriente máxima admisible IB es igual a:

Tenemos que la fórmula para la tensión de paso será:

Para personas con un peso promedio de 50 kg

Para personas con un peso promedio de 70 kg

TENSIÓN DE CONTACTO DE METAL A METAL (Emm)

Es la diferencia de potencial entre los objetos metálicos o estructuras, dentro del sitio de la subestación, este puede ser puenteado por contacto directo mano a mano o mano a pies.

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Los límites de tensión de contacto de metal a metal son derivados de las ecuaciones de tensión de contacto. El contacto de metal a metal, tanto de mano a mano y mano a pies, resultara que ps = 0. Por lo tanto, la resistencia total del circuito accidental es igual a la resistencia del cuerpo, RB.

Con la substitución de ps = 0 en los términos de la resistencia de pie, el límite de la tensión de contacto de metal a metal es:

Para personas con un peso promedio de 50 kg

Para personas con un peso promedio de 70 kg

En donde:Emm es la tensión de contacto de metal a metal en Voltsts es el tiempo de duración de la exposición a la corriente (segundos) Valida en el rango de 0.03 a 3 segundos.

Las tensiones reales de paso, contacto, contacto de metal a metal, deberían ser menor que la tensión máxima respecto a los límites aceptables de seguridad.

TENSIÓN DE TRANSFERENCIA (Etrrd)

Es un caso especial de la tensión de contacto, donde una tensión es transferida hacia dentro o fuera de la subestación. (Ver figura 1.29).

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Generalmente, el caso de la tensión transferida ocurre cuando una persona esta parada dentro del área de la subestación tocando un conductor aterrizado en un punto remoto o una persona parada en un punto lejano tocando un conductor conectado a la malla de tierras de la subestación.

Durante condiciones de falla, el potencial resultante de tierra puede ser igual o exceder la elevación de potencial de tierra (GPR) de una malla de tierra un poco más que la fracción de la tensión total encontrada en las situaciones de contacto ordinarias.

La elevación del potencial de tierra (GPR): es el máximo potencial eléctrico que una red de tierra puede alcanzar con relación a un punto de tierra distante, asumiendo que esté al potencial de la tierra remota. Este potencial GPR es igual a la corriente máxima de la red de tierra por la resistencia de dicha red.

TENSIÓN DE MALLA MÁXIMA (Em)

Es la máxima tensión de contacto dentro de la malla de una red de tierra. Esta tensión es mayor conforme la malla está más alejada del centro de la red, por lo que la tensión de malla máxima se tendrá en las mallas de las esquinas de la red del sistema de tierra. Este incremento depende del tamaño de la red, número y localización de varillas de tierra, separación entre conductores paralelos, diámetro y profundidad de los conductores y perfil de la resistividad del terreno.

Debido a que la máxima tensión de malla se tiene en la mallas de las esquinas de la red, en el diseño de un sistema de tierra solo se considera esta tensión de malla en el estudio y se puede calcular con la siguiente ecuación:

Donde:

Emalla es la tensión de malla en VKi es el factor de ajuste de la geometría de la redKm es el factor de espaciamiento para la tensión de mallaLc es la longitud efectiva de los conductores de la red en mIT es la corriente de falla que circula en la red del sistema de tierra en A

Para redes con varillas de tierra en las esquinas, como también a lo largo del perímetro y distribuidos en el área de la red, la longitud efectiva de los conductores enterrados incluyendo las varillas, la tensión de malla está determinada por:

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Donde:

Lr es la longitud de cada electrodo de tierra en mLR es la longitud total de electrodos de tierra en mLx es la longitud máxima de conductor de la red paralelo al eje x en mLy es la longitud máxima de conductor de la red paralelo al eje y en m

TENSIÓN DE PASO MÁXIMA (ES)

La tensión de paso máxima, es la tensión de paso entre un punto sobre el exterior de una de las esquinas de la red y un punto diagonalmente a un metro fuera de la red.

Las tensiones de paso son menos peligrosas que las tensiones de malla. Pero cuando la seguridad del sistema de tierra solo se consigue colocando sobre la superficie una capa de material de alta resistividad y dicha capa no se prolonga al exterior de la red, los potenciales de paso fuera de la red pueden resultar peligrosos.

Por lo que se recomienda que la tensión de paso se compare con la tensión de paso tolerable, una vez que en el estudio se haya obtenido una tensión de malla menor que la de toque tolerable.

En caso de que se obtenga en este punto un potencial de paso mayor que el tolerable, se puede evitar extendiendo la capa de material de alta resistividad hacia fuera de la cerca, eliminando esquinas o proyecciones agudas en la red apropiadamente.

La tensión de paso se determina con la siguiente ecuación:

Para mallas de tierras con o sin varillas de tierra, la longitud enterrada efectiva, (Ls) se obtiene mediante la ecuación siguiente:

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FACTORES Y PARÁMETROS

FACTOR DE DECREMENTO “Df”Es necesario calcular ya sea manual o computacionalmente la corriente simétrica de falla a tierra. Para ello es necesario considerar algunos factores de corrección.

En los estudios de cortocircuito los valores que se obtienen son las magnitudes de la corriente simétrica eficaz, pero en el diseño de un sistema de tierras se debe considerar la corriente asimétrica, por lo que se requiere tomar en cuenta un factor de decremento, el cual considera el efecto del desplazamiento de la componente de corriente directa, aunado al valor de la corriente de falla simétrica obtenido. En la siguiente tabla se muestran algunos valores del factor de decremento.

FACTOR DE CRECIMIENTO “fc”Cuando sea pertinente considerar los aumentos de corriente de falla a tierra debidas al crecimiento del sistema eléctrico, se debe hacer el producto del crecimiento a futuro del sistema por la corriente de falla del sistema, por ejemplo, si se considera un 50% de crecimiento, el factor será: fc = 1.5.

FACTOR “Km”Este factor toma en cuenta el efecto del número de conductores paralelos “n”, el espaciamiento “D”, el diámetro “d” y la profundidad de enterramiento “h” de los conductores que forman la red y se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:

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PARÁMETRO “n”

Es el número efectivo de conductores paralelos “n” en una red dada, ya sea cuadrada, rectangular o irregular:

Donde

De lo contrario

FACTOR “Kii”

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Factor de ajuste para los efectos de los interiores en la malla de una de las esquinas de la red.

FACTOR “Kh”Factor que enfatiza los efectos de la profundidad de la red.

PARÁMETRO “d”Es el diámetro del conductor de la red en metros

FACTOR “Ki”Factor de ajuste de geometría o irregularidad de la red Ki en función de “n” está definido como:

FACTOR “Ks”Factor de espaciamiento para la tensión de paso.

Considerando al potencial de paso a un metro fuera de la esquina mas alejada de la red y al conductor enterrado a una profundidad de 0.25 m < < 2.5 ℎ 𝑚, Ks se puede determinar con la siguiente ecuación:

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4.2.2 EQUIPOS DE POTENCIA

TRANSFORMADORES DE POTENCIA

TANQUE DEL TRANSFORMADOREl tanque del transformador se debe conectar a la red de tierra en dos puntos distintos con dos cables de cobre desnudos (Ver Figura. 4.2.).

NEUTRO DEL TRANSFORMADORLa conexión del neutro del transformador ya sea sólidamente o por medio de una reactancia, se realiza con dos cables de cobre desnudos conectados a diferentes ramas de la red.

La impedancia se elige normalmente para que limite la intensidad de una corriente eléctrica de falla a tierra, a un valor igual o ligeramente superior a la carga capacitiva del sistema. Ese valor de impedancia debe limitar también las sobretensiones transitorias a valores seguros.

GABINETE DE CONTROL DEL TRANSFORMADORCuando éste se encuentre separado del transformador, se conecta a la red de tierra con un cable de cobre desnudo.

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INTERRUPTORES

INTERRUPTORES DE POLOS SEPARADOSCada uno de los polos se conecta a la red de tierra con un cable de cobre desnudo. (Ver Figura. 4.3. a)).

INTERRUPTORES CON UN SOLO CUERPOEl cuerpo del interruptor se conecta a la red de tierra con dos cables de cobre desnudo en puntos diferentes (Ver Figura. 4.3. b)).

GABINETE DE CONTROL DEL INTERRUPTOR

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Cuando se encuentre separado del interruptor, se conecta a la red de tierra con un cable de cobre desnudo

GABINETE AUXILIAR DEL INTERRUPTORSe conecta a la red de tierra con un cable de cobre desnudo.

CUCHILLAS

CUCHILLAS DE POLOS SEPARADOSCada una de las fases de las cuchillas se conecta a la red de tierra al pie de la estructura con un cable de cobre desnudo. (Ver Figura. 4.4.).

CUCHILLAS UNIDAS POR LA ESTRUCTURASe conectan a la red de tierra al pie de la estructura en dos puntos diferentes con cable de cobre desnudo.

GABINETE DE CONTROL DE CUCHILLAS Y/O ACTUADORES

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Se conecta a la red de tierra con un cable y/o cintilla de cobre desnudos.

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (TC’s)

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE DE 85, 230 Y 400 kV MONTADOS EN BASES TIPO PEDESTALCada uno de los TC’s se conecta a la red de tierra mediante un cable de cobre desnudo considerando lo siguiente:

a) Si la base es de concreto, el cable de cobre desnudo se dirige hasta el TC. (Ver Figura. 4.5.).

b) Si la base es de estructura, el cable de cobre desnudo se dirige hasta el TC y se fija a la estructura con un conector al nivel de la base y abrazaderas.

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE DE 23 kV MONTADOS EN ESTRUCTURASCada juego de TC’s se conectan en un solo punto de la red, mediante un cable de cobre desnudo, con las derivaciones necesarias para cada TC.

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TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP’s)

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL DE 85, 230 Y 400 kV MONTADOS EN BASES TIPO PEDESTALCada uno de los TP’s se conectan a la red de tierra mediante un cable de cobre desnudo considerando lo siguiente:

a) Si la base es de concreto, el cable de cobre desnudo se dirige hasta el TP. (Ver Figura. 4.5.).

b) Si la base es de estructura, el cable de cobre se dirige hasta el TP y se fija a la estructura con un conector al nivel de la base y abrazaderas, en forma similar que para los TC’s.

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL DE 23 kV MONTADOS EN ESTRUCTURASCada juego de TP’s se conectan en un solo punto de la red con cable de cobre desnudo, con las derivaciones necesarias para cada TP. Cuando los TP’s estén conectados en estrella, su neutro se conecta también a la red de tierra con cable de cobre desnudo y la conexión entre ellos se realiza con solera de cobre de 6.35 x 25.4 mm (1/4 x 1’’).

APARTARRAYOS

APARTARRAYOS DE 85, 230 Y 400 kVSe conectan a la red de tierra en diferentes ramas, con dos cables de cobre desnudos. A los apartarrayos de 230 y 400 kV que se les instalen contadores de descarga, la conexión entre los apartarrayos y sus contadores se hace con dos cables de cobre de sección transversal de 107.2 mm2 (No. 4/0), con aislamiento de policloruro de vinilo (PVC). (Ver Figura. 4.6.).

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APARTARRAYOS DE 23 kVLa conexión entre ellos se realiza con solera de cobre de 6.35 x 50.8 mm (1/4 x 2’’) bajando hasta el punto donde se localiza la puesta a tierra del tanque del transformador.

BANCOS DE CAPACITORES DE 23 kV

En la configuración correspondiente a bancos conectados en estrella con el neutro derivado a tierra, la conexión a tierra de los capacitores en las tres fases se hace a la base de la estructura, con un conductor de cobre con calibre mínimo de 4/0 AWG y a su vez empleando solera de cobre de 6.35 x 50.8 mm (¼ x 2’’), terminando con dos cables desnudos de 4/0 AWG a diferentes ramas de la red. (Ver Figura. 4.7.)

BANCOS DE TIERRA DE 85 kV

Consiste en un transformador cuya función principal es conectar a tierra el neutro de un sistema y proporcionar un circuito de retorno a la corriente de cortocircuito de fase a tierra.

Existen dos tipos de bancos de tierra:

Transformador de tierra, conexión estrella con neutro a tierra en el lado de alta tensión y delta en el lado de baja tensión.

Transformador de tierra, conexión zig-zag.

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TANQUE DEL TRANSFORMADOREl tanque del transformador se debe conectar a la red de tierra en dos puntos distintos, con dos cables de cobre desnudos.

NEUTRO DEL TRANSFORMADORLa conexión del neutro del transformador se efectúa con dos cables de cobre desnudos, continuando por el cuerpo del transformador con solera de cobre de 6.35 x 50.8 mm (¼ x 2’’) y terminando con dos cables de cobre desnudo a diferentes ramas de la red.

TABLEROS

Los tableros de control, protección y medición se conectan a la red de tierra mediante dos cables de cobre desnudos, colocados en los extremos de un tramo de solera de cobre de 6.35 x 25.4 mm (¼ x 1 plg.). La solera se fija con separadores de cobre a una canal de 101.6 mm (4 plg), para facilitar la conexión de los secundarios de los TC’s y TP’s. (Ver Figura. 4.8.)

TRAMPA DE ONDA

Se conecta a la red de tierra en un solo punto, con cable de cobre desnudo.

AISLADOR SOPORTE EN BASE DE CONCRETO

La conexión a la red de tierra se hace desde la base del aislador soporte con un cable de cobre desnudo.

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AISLADOR SOPORTE EN BASE METÁLICA

La conexión a la red de tierra se realiza desde la base de la estructura con cable de cobre desnudo.

ESTRUCTURA DE REMATE Y/O DE PASO CON PUNTAS, APARTARRAYOS O HILO DE GUARDA

La estructura se conecta a la red de tierra desde aproximadamente la altura de la propia estructura, con un cable de cobre desnudo (Ver Figura. 4.9.).

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ESTRUCTURA PARA SOPORTAR MUFAS DE 23 kV

La conexión a la red de tierra se realiza con un cable desnudo continuando sobre la estructura hasta una solera de cobre de 6.35 x 25.4 mm (¼ x 1 plg), a la cual se conectan las puntas de las mufas.

POSTES

La conexión a la red de tierra se realiza desde la base del poste, con un cable de cobre desnudo.

CONSIDERACIONES GENERALES

Para contar con la seguridad necesaria en las instalaciones de las subestaciones, en general, se requiere realizar las conexiones a la red de tierra que a continuación se describen:

a) En las cercas metálicas que pueden ubicarse dentro o fuera de la periferia del sistema de tierra, debido a que los gradientes de potencial son muy altos, se pueden tener las siguientes situaciones: (Ver Figura. 4.10.).

I. Cuando la cerca se encuentra dentro del área de la red de tierra de la subestación y se conecta a esta. (El sistema es seguro)

II. Cuando la cerca coincide con el perímetro de la red de tierra y se conecta a esta. (El sistema es seguro)

III. Cuando la cerca se encuentra fuera del área de la red de tierra de la subestación y se conecta a esta. (No es seguro, ya que se pueden presentar potenciales de transferencia)

IV. Cuando la cerca se encuentra fuera del área de la red de tierra de la subestación. (Es seguro, siempre y cuando se coloque a una distancia mínima de 2 m, sin conectar a la red de tierras de la subestación)

Toda cerca metálica que se cruce con líneas aéreas en lugares no urbanizados, debe conectarse a tierra, a uno y otro lado del cruce. En caso de existir una o más puertas o cualquier otra condición que interrumpa la continuidad de la cerca, ésta debe aterrizarse en el extremo más cercano al cruce con la línea. (Ver Figura. 4.11.)

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b) Las cubiertas metálicas de los cables de potencia que estén enterrados dentro del área de la subestación, deben conectarse a la red de tierra en varios puntos. Por otra parte, los cables de control deben contar con un blindaje adecuado (pantalla) que tenga la capacidad de conducir la corriente de falla. Este blindaje debe ponerse a tierra en ambos extremos para eliminar las posibles tensiones inducidas.

c) Las partes metálicas expuestas que no conducen corriente eléctrica, y las cubiertas metálicas de equipo eléctrico, deben conectarse a la red de tierra. Cuando se cuente con resguardos para las partes metálicas tales que impidan que se puedan tocar las partes metálicas mencionadas y simultáneamente algún otro objeto puesto a tierra, las partes metálicas que no conducen corriente pueden no conectarse a tierra.

d) Todas las fuentes de corriente de fallas a tierra deben conectarse a tierra, tales como pueden ser apartarrayos, banco de capacitores, transformadores, neutros de máquinas y circuitos de alumbrado y fuerza. Se debe evitar tener puestas a tierra aisladas de neutros en baja tensión para evitar, cuando existe una falla a tierra, que fluya corriente que provoque transferencia de tensión peligrosa en la subestación.

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e) Los electrodos de tierra utilizados en la red, deben interconectarse entre sí por medio de conductores desnudos.

f) Los rieles de escape de ferrocarril que entran a una subestación, no deben conectarse al sistema de tierra de la subestación. Se debe aislar uno o más pares de juntas de los rieles donde estos salen del área de la red de tierra para evitar gradientes de potencial desde la subestación hacia un punto remoto durante una falla a tierra.

La práctica de realizar sistemas separados, es decir sin realizar la interconexión con la red de tierra de la subestación, no es una solución adecuada, debido a que se tienen altas resistencias que pueden producir tensiones de transferencia indeseables y no se logra mantener gradientes de tensión bajos cuando existen fallas y pueden presentarse potenciales peligrosos entre puntos aterrizados, debido al desacoplamiento entre ellos.

CONSIDERACIONES ESPECIALES PARA LA PUESTA A TIERRA EN SUBESTACIONES AISLADAS EN GAS (SF6).

En la instalación de subestaciones en SF6 se debe tener especial precaución en la ubicación de las conexiones a tierra, debido a las corrientes inducidas.

Debido al reducido espacio que ocupan, la dificultad para abatir la resistencia del sistema de tierra se acrecienta y adicionalmente es necesario conducir hacia la tierra las corrientes de cierta magnitud que se inducen en las envolventes de la subestación, la velocidad de ruptura del gas al operar los dispositivos de apertura y cierre, o en condiciones de falla, generan sobretensiones transitorias de frente muy rápido que pueden ser repetitivas, las cuales provocan interferencia electromagnética en la subestación.

Por las características particulares de construcción del equipo en la subestación en SF6, resulta difícil obtener un adecuado aterrizamiento por medios convencionales, por lo cual es necesario tomar en cuenta algunas consideraciones especiales para conducir las corrientes de falla a la red general de tierra de la subestación, que permitan proteger al personal de operación contra cualquier riesgo y al equipo contra daños e interferencia electromagnética.

PUESTA A TIERRA DE LAS ENVOLVENTESLas envolventes continuas de la subestación en SF6, en condiciones normales de operación, permiten una trayectoria de regreso a las corrientes inducidas, de tal manera que el conductor en conjunto con la envolvente forman un par concéntrico que neutraliza efectivamente el campo interno hacia la envolvente. Sin embargo bajo condiciones de falla asimétrica, debido a la componente de corriente directa no se produce el blindaje adecuado y se provoca una caída de tensión externa por la resistencia de la propia envolvente.

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Para reducir las tensiones de paso y de contacto a valores no peligrosos, dentro del área de la subestación en SF6, es necesario aterrizar y realizar puentes unión adecuados en las envolventes, considerando lo siguiente:

Todas las envolventes metálicas deberán operar normalmente al nivel de tensión de tierra (superficies equipotenciales).

Cuando se pongan a tierra las envolventes en los diversos puntos seleccionados de la red de tierra, deberá asegurarse que no existan diferencias de tensión significativas entre secciones individuales de envolventes separadas por aisladores estanco y que las estructuras soporte o cualquier parte de la red de tierra se contamine con el flujo de corrientes inducidas indeseables.

No se deben permitir corrientes de retorno en las envolventes que por alguna causa, circulen a través de TC’s instalados externamente a ellas. Generalmente para contar con una trayectoria de baja impedancia, se coloca un conductor adicional conectado a la envolvente, por encima de los TC’s (Detalle Constructivo Ver Figura. 4.12.).

Es deseable contar en la subestación en SF6 con una barra principal de tierra conectada al sistema general de tierra de la subestación, que facilite la puesta a tierra de todos los componentes metálicos. Esta barra de tierra puede estar formada por uno o varios conductores los cuales usualmente proporciona el fabricante de la subestación en SF6, tomando como base las necesidades de puesta a tierra especificadas por el usuario.

ASPECTOS ESPECIALES EN LA PUESTA A TIERRAEs necesario en las subestaciones en SF6, tomar las precauciones requeridas para prevenir corrientes inducidas excesivas en las estructuras soporte o refuerzos metálicos, que por

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medio de otros equipos de la subestación, tales como transformadores o equipos de maniobra con cargas atrapadas, puedan provocar corrientes circulantes indeseables.Como se indicó con anterioridad, se debe tener especial precaución al poner a tierra las discontinuidades que existan en la subestación. Todos los elementos aislados en la subestación en SF6, deben ser adecuados para soportar las diferencias de potencial que puedan ocurrir entre el sistema de tierra local y algún sistema externo.

En algunas ocasiones los transitorios rápidos generados por operaciones de maniobra, pueden causar tensiones transitorias altas que se descargan en las discontinuidades, por lo cual requiere especial cuidado la puesta tierra en la proximidad de las discontinuidades de las envolventes de salida para conectar transformadores de potencia, así como en los puntos de conexión con equipo convencional para evitar corrientes circulantes en interruptores y en el tanque metálico del transformador.

Otro aspecto importante que se debe considerar, es la puesta a tierra de las cimentaciones de la subestación (Ver Figura 4.13.), debido a que la trayectoria a tierra de las corrientes esta determinada por la posición relativa de objetos conductores que están en la tierra. En el espacio que limita la subestación, gran parte de este lo ocupan las cimentaciones de concreto que pueden causar irregularidades en la trayectoria de descarga de corrientes de falla; pero si la cimentación que cuenta con varillas de refuerzo de acero se pone a tierra uniéndola a la barra principal de la subestación, se contribuye en la disipación de las corrientes actuando como un electrodo auxiliar, así tanto las envolventes de la subestación en SF6 como el acero estructural dentro y sobre la cimentación tendrán aproximadamente el mismo nivel de potencial. Debido a que las varillas de acero estructural se encuentran más cercanas que los propios conductores de la malla de tierra, permiten uniformizar los potenciales dentro del piso y en la superficie.

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Adicionalmente, en la puesta a tierra y diseño de la red de tierra de la subestación en SF6, es necesario considerar lo siguiente:

El material de las envolventes debe ser no-magnético con objeto de limitar la inducción de corrientes parásitas y debe tener alta conductividad que permita reducir las pérdidas por efecto Joule. Asimismo, el material debe poseer la resistencia mecánica necesaria para soportar las sobretensiones debidas a fallas en el interior de las envolventes.

Las envolventes metálicas deben estar provistas con los accesorios necesarios para garantizar la continuidad eléctrica en todas las envolventes que conforman la subestación, de manera que constituya un conjunto equipotencial que evite elevadas sobretensiones y eventuales descargas externas durante la ocurrencia de fenómenos transitorios.

Se debe contar con juegos de cuchillas de puesta a tierra para realizar los trabajos de mantenimiento con seguridad.

La puesta a tierra de los gabinetes de control, las envolventes metálicas y las estructuras soporte, debe realizarse de manera que constituya un conjunto equipotencial. Para este efecto la instalación debe incluir un sistema de tierra con conductores de cobre de sección suficiente, que se conecten a la red de tierra general de la subestación. Las interconexiones de los componentes de la subestación deben hacerse por medio de barras de cobre.

Se deben realizar las puestas a tierra de las envolventes, estructuras soporte y equipos de la subestación en varios puntos para minimizar las tensiones de paso y contacto, y se deben mantener tan cortas y directas como sea posible ya que los dobleces en los conductores de cobre, también producen mayores reactancias a altas frecuencias.

Es necesario separar de las envolventes de la subestación, los cables de control, protección y comunicación, los cuales deben contar con un adecuado blindaje (pantallas continuas).

Cuando se instalan equipos en diversos niveles de un inmueble, cada nivel debe contar con una red de tierra mallada, las cuales se interconectan entre si y a la red general de tierra de la subestación, procurando realizar el mayor número de interconexiones entre las redes, que permitan disipar por diversos caminos de baja impedancia la corriente de falla.

NOTA: Los tubos metálicos para agua, gas, se tienen que conectar a un sistema de tierras independiente e interconectarse a la red general.

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4.2.3 EQUIPOS ELECTRONICOS

En los siguientes párrafos, se utiliza el frase "equipo electrónico" como sinónimo de aquel aparato que contiene circuitos integrados de alta densidad, conocidos como VLSI. Como ejemplos de ellos, tenemos a nivel doméstico y comercial: computadoras, sistemas de entretenimiento y, sistemas de comunicaciones. A nivel industrial: computadoras, CNCs, sistemas de control y de comunicaciones.

Por lo tanto, la frase "equipo electrónico" puede ser sustituida por cualquier de dichos aparatos.

Las perturbaciones y señales de interferencia también suelen llamarse contaminación electromagnética. Con la llegada de los circuitos integrados, los cuales cada vez se hacen mas densos, es importante brindar la protección adecuada debido a la susceptibilidad de estos equipos. Los equipos electrónicos no trabajan satisfactoriamente cuando se presentan fenómenos transitorios o interferencias tales como cargas generadas por la estática, en presencia de voltajes y corrientes de falla, tan comunes como no deseados en un sistema eléctrico electrónico. La causa mayor de fallas es el sobre-esfuerzo causado por los transitorios originados por maniobras de interrupción de cargas inductivas o de descargas electrostáticas; aunado a esto, la interferencia es otro problema común que dificulta el correcto funcionamiento de éstos equipos, que tiene origen en armónicas generadas, por ejemplo, por fuentes de poder de tipo conmutada, variadores de frecuencia, etc.

Este sobre-esfuerzo es causado por picos de voltaje con amplitudes de rango de decenas de volts a varios miles de volts y, con duración de unas decenas de nanosegundos a unas centenas de microsegundos.

Las interferencias electromagnéticas son señales que perturban el funcionamiento normal de un sistema eléctrico o electrónico, lo que afecta el voltaje, la corriente y el campo electromagnético de los circuitos. Esto presenta un grave problema a los equipos debido a que altera su función, lo que puede ocasionar fallas en el mismo sistema, incluso atentar contra la seguridad de las personas.

Cabe hacer notar que los sistemas electrónicos sólo consumen alrededor del 5% de la energía producida, mientras que los grandes generadores de ruido eléctrico e interferencias (motores, alumbrado, sistemas de aire acondicionado, etc.) consumen el 95% de esa energía.

Cuando una descarga atmosférica incide en una línea de transmisión o en cualquier instalación eléctrica, se produce un sobrevoltaje que puede exceder el límite de aislamiento de la línea, extendiéndose a cada lado de la misma. Las ondas generadas tienes dos componentes: Voltaje y Corriente, donde la magnitud de ésta última es

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afectada por la impedancia característica de la línea y resulta menor al voltaje de flameo del aislamiento del sistema.

Otro inconveniente a considerar es el ruido eléctrico, fenómeno proveniente de cualquier conexión eléctrica en algún punto de una instalación eléctrica que produce voltajes dentro de los equipos electrónicos sensibles a través del sistema de tierra. Todas estas fuentes de fallas se tienen que analizar para determinar los requerimientos mínimos con los que debe cumplir el sistema de tierra y así poder diseñarlo correctamente ya que será de gran importancia para un adecuado funcionamiento de los sistemas de protección.

SISTEMA DE TIERRA PARA EQUIPO DE CÓMPUTO

AMBIENTE ELÉCTRICOEl ambiente eléctrico para computadoras incluye sus fuentes de energía, el sistema de tierra y las interfaces eléctricas con las líneas de comunicaciones, sistemas de aire acondicionado y los sistemas de seguridad industrial. También incluye el sistema de luminarias y otros equipos ubicados en la sala de computadoras.

El ambiente eléctrico adyacente también debe considerarse, ya que las perturbaciones eléctricas se propagan a través de conductores, tubería, conductos metálicos y partes estructurales del edificio o por medio de radiación electromagnética, como en el caso de ondas de radio.

Ningún equipo es inmune totalmente a las interferencias y perturbaciones.Sin embargo, la sensibilidad puede variar de un equipo a otro y de un tipo de perturbación a otro. Las interferencias o perturbaciones de alta energía pueden causar fallas catastróficas o mal funcionamiento de algunos componentes. Las perturbaciones menores tal vez no dañen los equipo, pero pueden corromper las señales de lógica y causar errores en los datos o señales de control.

CALIDAD DE LA ENERGÍALa energía eléctrica pública puede estar disponible en diferentes facetas de voltaje y de configuraciones de fase. La configuración y la selección dependen del tamaño del sistema y del equipo utilizado. Es recomendable instalar un cableado exclusivo para el equipo electrónico sensible para obtener un voltaje óptimo, y así evitar al máximo las perturbaciones del exterior debido a la mínima interacción con otros elementos del sistema.

La frecuencia utilizada en México es de 60 [Hz], sin embargo, la calidad de la energía, que tiene que ver con la no variación en este parámetro, en ocasiones no llega a ser la deseada a pesar del monitoreo constante que se le realiza a este parámetro por la compañía suministradora, por lo que se presentan problemas en los sistemas de computadoras, además de que con la apertura de fuentes independientes de energía, como generadores

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diesel o motores eléctricos, se pierde estabilidad en el sistema eléctrico, lo que repercute en un mal funcionamiento y deficiente desempeño de equipos electrónicos.

La tensión eléctrica nominal de un sistema es el valor cercano al nivel de tensión al cual opera normalmente el sistema. Debido a contingencias de operación, el sistema opera a niveles de tensión del orden de ±10% de la tensión eléctrica nominal del sistema para la cual los componentes del sistema están diseñados La tensión eléctrica de línea no debiera variar más allá de -3% a +3% del valor nominal.

La tensión eléctrica nominal es el valor asignado a un sistema, parte de un sistema, un equipo o a cualquier otro elemento al cual se refieren ciertas características de operación o comportamientos de éstos.

TIERRA DE REFERENCIA CEROEl término tierra de referencia cero se refiere a un cable o alambre aislado, separado que tiene aislamiento color verde o verde con franjas amarillas, de acuerdo a las especificaciones de la normatividad vigente (NOM-001-SEDE-2005), que está conectado a tierra y se instala para computadoras y equipos que cuentan con microcontroladores o microprocesadores.

Este conductor de conexión a tierra también es un conductor adicional para la seguridad, lo cual asegura la calida de la energía necesaria para un buen funcionamiento de los sistemas o equipos sensibles. El propósito de este “sistema” a tierra es proporcionar un sistema “limpio”, libre de ruidos (interferencia electromagnética), de referencia de voltaje cero para las fuentes de alimentación de corriente directa (cd) y datos en los sistemas ya comentados.

El conductor de puesta a tierra del sistema no se conecta a conducto o tableros de distribución secundarios por los cuales se desplaza, sino que sólo termina en los bloques de terminales aislados, en el cable aislado principal de tierra u otra tierra aislada o receptáculo en la tierra aislada (lógica) del equipo y en el punto único de unión de la fuente de energía. La tierra de seguridad también debe instalarse y conectarse como se requiere para fines de seguridad, por ejemplo, en una toma de tierra dúplex aislada, el contacto redondo del receptáculo se conecta a la terminal flexible aislado de tierra en la parte posterior del receptáculo. El tornillo que sostiene la lámina frontal del receptáculo se conecta a la tierra de seguridad por medio de los sujetadores de montaje del receptáculo y la caja de metal donde se monta el receptáculo. Si se usa una caja de plástico, se debe utilizar conductor de tierra de seguridad y ésta debe extenderse junto son el conductor de fase, el neutro y los conductores de tierra aislados. Además, debe fijarse a los sujetadores del montaje del receptáculo para “conectar a tierra” la lámina frontal.

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SISTEMA DE TIERRA PARA EQUIPOS DE TELECOMUNICACIONES

CARACTERÍSTICAS GENERALESAl hablar de Telecomunicaciones estamos considerando desde los tradicionales equipos y sistemas telefónicos, sistemas embebidos que utilizan tanto la telefonía tradicional como equipo de información tecnológica (telefonía computarizada); además de equipo de tecnología de la información.

Un sitio de equipo de telecomunicaciones no es muy diferente a un sitio de equipo de cómputo, de hecho, algunas de las características generales tratadas en el capítulo anterior son similares e incluso iguales a las destinadas para proteger equipo de telecomunicaciones.

Sin embargo, como ya se sabe, cualquier empresa destinada a la transmisión, uso, y recopilación de información de tipo digital, debe contar con protecciones efectivas, que, en dado caso de una eventual falla, puedan responder a los requerimientos indispensables del equipo.

La fig. 3.1 nos ilustra el diagrama de bloques de un centro de comunicaciones tipo, donde se llevan a cabo labores de envío (Emisor de la señal digital) y recopilación de señales (Receptor de la señal), para su posterior utilización.

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Durante un disturbio eléctrico, los potenciales pueden variar en diferentes puntos de un sistema. Si el equipo de conmutación u otro equipo desarrollado con semiconductores está conectado en varios puntos a lo largo del sistema es probable que se presenten diferencias de potencial entre los equipos. Cuando estos voltajes producen flujo de corriente a través de los cables de señal y a través de los circuitos digitales, llámense memorias operativas, compuertas lógicas, filtros de señales digitales y analógicas, etc., pueden ocasionar graves daños en los mismos. De ahí proviene la necesidad de un punto único de conexión a tierra para los equipos sensibles, como ya fue mencionado en su oportunidad en el capítulo anterior. Por lo general, para un SITE de cómputo o de telecomunicaciones, el punto único de conexión se encuentra localizado en las cercanías del mismo sitio, con una barra de tierra adecuada, de acuerdo a lo especificado en el estándar 1100 del IEEE.

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SUBSISTEMA DE TIERRA EXTERIOR.En sistemas de telecomunicaciones es común encontrar antenas receptoras de señales, con variados propósitos, desde el envío de datos y señales, repetir las mismas (repetidoras), hasta la recepción e interpretación de las mismas. Es importante considerar el aterrizamiento de las torres, como medida precautoria. La puesta a tierra de una torre de comunicaciones consiste por lo general en un anillo de tierra enterrado alrededor de la base, conectado a su vez a un anillo de tierra exterior del edificio, junto con los indispensables electrodos de tierra, todo esto para evitar diferencias de potencial perjudiciales en el entorno del edificio.

La barra externa de tierra es una barra de cobre con orificios taladrados para montar las terminales, que por lo regular son conectadas por medio de zapatas compresibles de doble ojillo, para lograr suficiente unión y continuidad y para mayor acceso.

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Por otro lado, la conexión de los electrodos de tierra (varillas) con el anillo exterior se recomienda que se lleve a cabo con soldadura exotérmica. Para este proceso se usa gas o soldadura de arco y una mezcla de polvo de metal con moldes especiales de grafito. Se provoca una ligera explosión que causa que el polvo reaccione para producir cobre fundido, el cual fluye alrededor de los metales soldándolos y derritiéndolos ligeramente. El resultado es una unión permanente, de alta calidad, robusta y de baja resistencia.

SUBSISTEMA DE TIERRA INTERIOR.Al igual que en un SITE de cómputo, el subsistema de tierra interior de un edificio dedicado a las comunicaciones debe tener una trayectoria de baja impedancia a tierra que logre una mínima diferencia de potencial entre todas las estructuras del edificio y de los elementos metálicos de los equipos, pero a su vez, debe ser capaz de aislar las interferencias electromagnéticas y de radio frecuencia circundantes (ruido eléctrico). Las conexiones internas se realizan mediante la inclusión de una barra de unión de cobre, en donde se conecta todo el equipo de radiofrecuencia, mientras que a su vez se conecta ésta se conecta al anillo exterior de tierra, a la conexión de tierra de la acometida y a otras tierras.

Las cubiertas de los equipos y los gabinetes de los mismos deberán estar aislados de las trayectorias de tierra no planeadas para evitar flujos de corriente a tierra.

Esto se logra al colocar los gabinetes o los equipos sobre un material aislante para mantenerlos separados del piso, que por lo general es de concreto.

Además de esto, en algunos espacios de telecomunicaciones se coloca otro anillo de tierra interior que cubre el perímetro del edificio, para conectar partes metálicas no activos o no críticos (sin paso regular de corriente, por ejemplo, los marcos de las puertas), como medida para evitar inesperada circulación de corriente y electrostática.

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RECOMENDACIONES GENERALES DE INSTALACIÓN.Generalmente, se recomienda enterrar un anillo de tierra al menos a 0,8 [m] del nivel del suelo. El diseño debe realizarse tomando en cuenta el valor máximo recomendado por la normatividad; y sólo en casos extraordinarios, debe recurrirse al uso de tratamientos químicos, ya que, como se vio anteriormente, estos tratamientos son temporales y deben renovarse periódicamente.

Todas las conexiones bajo tierra deben ser permanentes; es decir, realizarse con soldadura exotérmica, además de que el conductor utilizado, tanto en los anillos de tierra, como el que une éstos con la barra principal, deben ser continuos. Si el empalme es inevitable, entonces debe realizarse soldando exotérmicamente. Los sistemas propios de protección contra descargas atmosféricas deben tener un sistema de tierra independiente, de acuerdo a lo especificado en la NMX-J-549-ANCE-2005.

De acuerdo a lo especificado en la NOM-001-SEDE-2005 relativo al tamaño nominal del conductor de puesta a tierra, este debe de un tamaño nominal no menor que 2,08 mm2

(14 AWG). En lo que respecta a las características de instalación de cableado y canalizaciones de circuitos de comunicaciones, éstas se ven reflejadas en el Art. 800 de la misma norma.

TIPOS DE INTERFERENCIA

Existen diferentes tipos de interferencias que pueden llegar a producir diferentes problemas en la transmisión de datos o de información, y con ello repercutir en el buen funcionamiento, tanto de la maquinaria y equipo utilizado para tal efecto, como para el flujo de información. La variación de voltaje que puede llegar a manifestar éste tipo de fenómenos, nos hace pensar en un buen sistema de protección de los mismos datos, como por ejemplo el blindaje eléctrico y electrónico de los equipos y del cableado utilizado.

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Las interferencias suelen clasificarse de acuerdo a su origen como:

Naturales, como las producidas por descargas atmosféricas, descargas electrostáticas (ESD).

Artificiales, si se originan como consecuencia del funcionamiento de un sistema. En esta categoría pueden encontrarse las producidas por motores, generadores, transformadores, equipo eléctrico y electrónico, etc.

También se clasifican de acuerdo con el medio de propagación:

Conducidas, cuando se propagan mediante un conductor eléctrico que conecta la fuente con el receptor; por ejemplo: cables de suministro de energía o de señal, pantallas chasis metálicos, etc.

Radiadas, cuando la propagación se efectúa a través de campos electrostáticos o electromagnéticos.

Acopladas, por medio de acoplamiento capacitivo o inductivo entre conductores cercanos.

Los métodos para eliminar las EMI en la trayectoria de acoplamiento o en el receptor son los siguientes: blindaje o apantallado, filtrado, asilamiento galvánico, separación y orientación, cableado correcto, un sistema de tierra adecuado y una buena selección de los componentes.

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INTERFERENCIA EN RADIOFRECUENCIA (RFI).La interferencia en radiofrecuencia (RFI, por sus siglas en inglés) puede ser causada por transmisiones radiales. Sin embargo, la interferencia que puede llegar a ser un problema es aquella producida por componentes electrónicos trabajando a altas frecuencias.

Tanto los circuitos digitales como analógicos pueden causar dichas emisiones. Además, la RFI puede emitirse en un ancho de banda muy grande por los múltiples subcircuitos trabajando al mismo tiempo.

La mejor manera de atacar la RFI recibida es con un buen blindaje en cables y en equipos. Y la mejor manera de acabar con la RFI es blindar el ruido directamente en su fuente. La presencia de no linealidades en un circuito provoca la demodulación de las interferencias de radiofrecuencia presentes en su entrada. Eso se llama rectificación de audio y afecta a otros tipos de amplificadores.

INTERFERENCIA ELECTROMAGNÉTICA (EMI)La inducción electromagnética (EMI) es ruido eléctrico que se convierte en un voltaje en un sistema eléctrico. Las fuentes son las mismas que generan la RFI, y se corrige con una puesta a tierra aislada.

INTERFERENCIAS ELECTROMAGNÉTICAS DE BANDA ANCHA. Las interferencias de banda ancha (conducidas o radiadas) son señales cuya variación de amplitud en

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función de la frecuencia se extiende en una margen de frecuencia mayor que la banda de paso de un receptor específico. En un receptor de EMI de banda ancha, la respuesta del receptor es proporcional tanto a su banda de paso para las señales interferentes coherentes como a la raíz cuadrada de su banda de paso para las señales incoherentes.

INTERFERENCIAS ELECTROMAGNÉTICAS DE BANDA ANGOSTA. En el caso de las interferencias de banda angosta, el rango de frecuencias en los que se manejan es mas angosto, aunque no deja de ser perjudicial para cualquier sistema. En un ambiente de EMI de banda angosta, la respuesta del receptor es independiente de su banda de paso si ésta es mayor que la banda de paso de la interferencia. Las interferencias de banda angosta pueden definirse de dos formas: matemáticamente o bien como una función cuya densidad espectral consiste en una línea espectral que está en función de la frecuencia de interés.

DESCARGAS ATMOSFÉRICASLas descargas atmosféricas siendo la fuente de interferencia y transitorios más grande conocida, es el motivo predominante para diseñar un buen sistema de protección.

Las corrientes estáticas producidas por las tormentas eléctricas, además de un deficiente diseño de un sistema de protección puede causar enormes inconvenientes para los equipos (incluso pérdida total), hasta la muerte de personal.

La norma NMX-J-549-ANCE-2005 recomienda el diseño de tal sistema por medio del método de la esfera rodante.

DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS (ESD)En la práctica, las cargas electrostáticas sólo son estáticas durante un lapso muy breve; suelen generarse en materiales aislantes y de ahí se transfieren a otros materiales aislantes o conductores, incluido el cuerpo humano.

El acercamiento de un conductor cargado a otro puede hacer saltar una arco y al producirse el contacto habrá una descarga de miles de volts, con tiempos de subida de nanosegundos y tiempos de decaimiento de cientos de nanosegundos.

El problema de las descargas electrostáticas afecta no sólo a componentes individuales, sino también los subsistemas o tarjetas de circuito impreso y a equipos completos.

Las descargas electrostáticas (ESD) se producen cuando dos objetos de diferente potencial se acercan o se tocan, lo que produce el salto de arco o chispa para equilibrar estos potenciales.

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La tabla muestra los valores de potenciales electrostáticos que se pueden alcanzar en algunas situaciones de trabajo.

La humedad relativa tiene una influencia importante debido a que entre más elevado sea el valor mejor será el comportamiento de los materiales frente a las descargas electrostáticas.

Con valores altos se forma una película de agua sobre el material, lo que proporciona una superficie conductora; es decir, a más humedad en el aire, las cargas electrostáticas se disiparán con mayor rapidez.

Como valor práctico para el control de las descargas electrostáticas, se ha determinado un porcentaje de humedad relativa entre el 50 y 60%.

Es importante tener en cuenta que las nuevas tecnologías de semiconductores son cada vez más sensibles a las descargas electrostáticas, debido a la gran densidad y tipo de arquitectura con la que están construidas.

En la tabla siguiente se muestran los valores de tensión aproximados a los cuales es vulnerable cada tecnología:

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RUIDO ELÉCTRICOEl ruido eléctrico es otra de las perturbaciones que pueden afectar al sistema eléctrico y producir efectos nocivos en el equipo electrónico sensible, como computadoras, sistemas de telecomunicaciones, etc. En realidad cualquier perturbación ocurrida ya sea por un medio natural; por ejemplo, una descarga atmosférica, o un medio artificial, como un voltaje transitorio, puede producir ruido eléctrico en un sistema.

OTRAS FUENTES DE DISTURBIOS POR VOLTAJES TRANSITORIOSExisten otro tipo de inconvenientes en la instalación de un sistema de puesta a tierra que pueden ocasionar fallas en el suministro de la energía y posterior deterioro de los equipos.

Las fuentes principales son:

Caídas de tensión frecuentes, Corrientes Inrush de: transformadores motores, filtros LC, Corrientes de falla a tierra Interacciones con los reguladores de voltaje, Cargas lineales y no lineales.

METODOLOGÍAS PARA EVITAR INTERFERENCIAS Y SEÑALES ELECTROMAGNÉTICAS

Como ya se ha visto antes, el utilizar un tapete antiestático conectado a tierra con un conductor trenzado y estañado, colocado a la entrada del centro de cómputo, es una de

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las formas mas sencillas de evitar los efectos en los equipos y circuitos integrados ocasionados por las descargas electrostáticas.

Otra de las formas prácticas para evitar en mayor o menor grado los efectos nocivos de los diferentes tipos de interferencia, ruido eléctrico y/o corrientes estáticas es el utilizar una jaula de Faraday, que es en pocas palabras, un cuarto blindado que aisla al sistema de interferencias.

Las características principales que deben cuidarse en la construcción de una jaula de Faraday son:

La atenuación, en su valor mínimo garantizado

La gamma de frecuencia protegida

El tipo de interferencia que debe blindarse

Ventilación y adaptabilidad para hacer modificaciones

Tipo de entrada y alambrado

MALLA DE REFERENCIA DE SEÑALES

La malla de referencia de señales sirve como plano de equipotencialidad para un voltaje constante a una banda ancha de frecuencias.

Una rejilla o malla proporciona trayectorias múltiples en paralelo entre sus partes. Si una trayectoria es de alta impedancia debido a una resonancia parcial o total, las demás trayectorias de diferentes longitudes serán capaces de proveer una trayectoria de baja impedancia.

Una rejilla de referencia de señal puede construirse con láminas continuas de cobre aluminio, acero, revestido de zinc o cualquier metal que tenga conductividad superficial aceptable. Sin embargo, este tipo de construcción no sólo es caro sino difícil de instalar en una sala de computadoras donde existen ya otros servicios.

La experiencia ha demostrado que una malla de referencia de señales con retícula de aproximadamente 60 cm proporciona una red de referencia de potencial constante satisfactorio en una banda ancha de frecuencias desde corriente directa hasta frecuencias mayores a 30 [MHz].

Típicamente se utilizan conductores de cobre o aluminio calibre AWG #4, los cuales han sido conectados en las intersecciones; o cintas de cobre de 0.0254 cm. de espesor 1 1’9

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cm. de ancho, también unidas en sus intersecciones. Estas rejillas por lo general se extienden sobre el suelo debajo del piso de la sala de cómputo y/o telecomunicaciones.

4.2.4 ELECTRODOS DE TIERRA

Los electrodos de puesta a tierra estarán formados por materiales metálicos en forma de varillas, cables, chapas, perfiles, que presenten una elevada resistencia a la corrosión por sí mismos, o mediante una protección adicional. En este último caso se tendrá especial cuidado de no dañar el recubrimiento de protección durante el hincado. Si se utilizasen otros materiales habrá de justificarse su empleo. Los electrodos podrán disponerse de las siguientes formas:

Jabalinas hincadas en el terreno, constituidas por tubos, barras u otros perfiles, que podrán estar formados por elementos empalmables.

Varillas, barras o cables enterrados, dispuestos en forma radial, mallada, anular. Placas o chapas enterradas.

Para la selección y disposición de los electrodos de tierra se tendrá en cuenta la calidad del suelo, parámetros eléctricos del sistema y la superficie de terreno disponible. La resistencia de puesta a tierra de un electrodo dependerá de la resistividad especifica del terreno en que éste se instale. En la tabla Nº 10.24 se muestran las resistencias obtenidas con distintos tipos de electrodos de diversas dimensiones, enterrados en un terreno homogéneo de 100 Ohm - metro de resistividad.

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NATURALEZA DE UN ELECTRODO A TIERRA

La resistencia a la corriente a través de un electrodo de puesta tierra realmente tiene tres componentes como se puede observar en la Figura 11 a continuación:

COMPONENTES DE LA RESISTENCIA DE TIERRA EN UN ELECTRODO DE TIERRA

1. Resistencia del electrodo por sí mismo y las conexiones a él.

2. Resistencia de contacto entre el electrodo y el suelo colindante a él.

3. Resistencia de la tierra circundante.

RESISTENCIA DEL ELECTRODO.Varillas, tubos, masas de metal, estructuras y otros dispositivos son empleados comúnmente para conexiones a tierra. Estas normalmente son de tamaño o sección transversal suficiente que su resistencia es una parte despreciable de la resistencia total.

RESISTENCIA DE CONTACTO DEL ELECTRODO A TIERRA.Es mucho menor de lo que se puede pensar. Si el electrodo está libre de pintura o grasa, y la tierra esta compacta firmemente, se ha demostrado que la resistencia de contacto es despreciable. La oxidación en un electrodo de hierro tiene poco o ningún efecto; él óxido de hierro esta prontamente impregnado con agua y tiene menor resistencia que la mayoría de los suelos. Pero si un tubo de hierro se ha oxidado lo suficiente, la parte debajo de la rajadura no es tan efectiva como una parte del electrodo de tierra.

RESISTENCIA DE LA TIERRA CIRCUNDANTE.Un electrodo hincado en la tierra de resistividad uniforme radia corriente en todas direcciones. Piense en el electrodo como sí estuviera rodeado por capas de tierra, todas de igual espesor, para captar la idea observe la Figura 7.

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TUBERÍA METÁLICA DE AGUA ENTERRADA.

Para que una tubería de agua pueda usarse como electrodo de puesta a tierra, debe reunir los siguientes requisitos:

Por lo menos tener 3 m en contacto directo con la tierra. Eléctricamente continua hasta el punto de conexión, puenteando el medidor del

agua, si está colocado en una posición intermedia.

La única desventaja de su uso es que debe complementarse con un electrodo adicional, de cualquiera de los tipos mencionados arriba. En el futuro la tendencia será eliminar las tuberías de agua como electrodos principales, a causa del uso cada vez mayor de equipos

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electrónicos cuya corriente de fuga a tierra tiene componentes en corriente continua, lo que induce corrosión galvánica en las tuberías.

No confundir este tipo de electrodo, con el requerimiento del artículo del CEN 250-80a, de conectar los sistemas interiores de tuberías para agua al puente de unión principal o a los electrodos de puesta a tierra, de acuerdo con la tabla 250-94,con el fin de poner a tierra los equipos.

ESTRUCTURA METÁLICA DEL EDIFICIO.

La estructura metálica de los edificios puede ser usada, siempre que esté bien puesta a tierra, esto es, que su impedancia a tierra sea baja.

Para que sea baja la impedancia, se deben unir las columnas a las partes metálicas de la cimentación con conductores según los calibres de los conductores de puesta a tierra del CEN 250-94 y, en caso de haber sellos formados por películas plásticas, se deben puentear éstos.

ELECTRODOS DE CONCRETO ARMADO.

En las estructuras nuevas, el concreto armado puede ser utilizado como electrodo principal. El CEN en la sección 250-81c establece que un electrodo empotrado en concreto como mínimo 5 cm, debe constar de una o mas barras de 6 metros de largo y deben ser barras de acero de no menos de 12,7 mm de diámetro localizado en y cerca del fondo de un cimiento o zapata.

El concreto tiene una estructura química alcalina y una composición que atrae y retiene humedad.

La combinación de estas características permite al concreto exhibir una resistividad consistentemente de unos 30 ohm-m.

Los electrodos de concreto tienen una resistencia a tierra mayor o igual que las varillas de cobre de un tamaño compatible, siempre que estén en contacto con suelos con resistividad de 50 ohm-m o menor.

Pruebas indican que la resistencia típica a tierra de una base para columna de anclaje medida en los pernos es de alrededor de 50 ohms, sin usar métodos especiales. De ahí que la resistencia efectiva de un edificio de estructura metálica con veintitantas columnas en paralelo es de menos de 5 ohms, siempre y cuando se asegure que la estructura esté conectada a las varillas.

Para ello, se suelda por métodos de fusión un cable de acero a las varillas, mismo que se conectará a su respectiva columna.

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ANILLO DE TIERRA.

Un anillo de tierra consiste en un conductor de cobre desnudo, de sección transversal no menor al calibre 2 AWG y de longitud no menor a 6 m enterrado a una profundidad de 800 mm y, que rodee al edificio o estructura.

Estos anillos de tierras se emplean frecuentemente circundando una fábrica o un sitio de comunicaciones, para proveer un plano equipotencial alrededor de edificios y equipos.

ELECTRODOS DE VARILLA O TUBERÍA.De acuerdo con la sección 250-83c del CEN los electrodos de varilla y tubo, no deben tener menos de 2,40 m de longitud y adicionalmente deben instalarse de tal modo que por lo menos 2,40 m de su longitud esté en contacto con la tierra.

Las varillas de metales no ferrosos deben estar aprobadas y tener un diámetro no inferior a 13 mm y las demás de por lo menos 16 mm. Las tuberías deben tener un diámetro no inferior a 19 mm y si son de hierro, deben tener una protección contra corrosión en su superficie.

Las varillas de acero con un recubrimiento de cobre de 10 milésimas dura un promedio de 35 años en un suelo promedio, si tiene un recubrimiento de 13 milésimas dura hasta 45 años. En cambio, una varilla de acero galvanizado tiene una vida estimada de 15 años. Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusión hasta que alcanzan la profundidad adecuada. En caso de terrenos rocosos, las varillas no pueden meterse de esa

COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS DE TIERRA

Los efectos más importantes a considerar en los electrodos son:

Efecto del aumento de la sección transversal de un electrodo. Normalmente se gana poco en reducción de resistencia a tierra aumentando la sección transversal de los electrodos por sobre lo necesario de acuerdo a los requisitos mecánicos y por corrosión.

Efecto de profundidad de enterramiento. Este efecto proporciona sólo una reducción marginal en la impedancia, pero a un costo relativamente alto, de modo que normalmente no se considera. Debe recordarse sin embargo, que mientras mayor sea la profundidad de enterramiento, menores son los gradientes de potencial en la superficie del terreno.

Efecto de proximidad de electrodos. Si dos electrodos de tierra se instalan juntos, entonces sus zonas de influencia se traslapan y no se logra el máximo beneficio posible. En realidad, si dos barras o electrodos horizontales están muy próximos, la impedancia a tierra combinada de ambos puede ser virtualmente la misma que de

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uno solo, lo cual significa que el segundo es redundante. El espaciamiento, la ubicación y las características del terreno son los factores dominantes en esto.

EFECTO DEL TAMAÑO DEL ELECTRODO.

EFECTOS POR EL LARGO DEL ELECTRODO. Como se puede sospechar, enterrando un electrodo largo más dentro de la tierra, decrece materialmente su resistencia. En general, doblar la longitud de la varilla reduce la resistencia aproximadamente en un 40%.

La curva de la Figura.15 Efecto del largo del electrodo en la resistencia a tierra, muestra este efecto por ejemplo, observe que una jabalina enterrada dos pies tiene una resistencia de 88 ohms, mientras que la misma jabalina enterrada el doble tiene una resistencia de alrededor de 50 ohms. Empleando la regla de reducción a 40%, 88 x 0.4 =35 ohms de reducción. Una varilla de 4 pies de profundidad, por este cálculo tendría una resistencia de 88–35 ó 53 ohms comparándose muy cercanamente a los valores de la curva.

EFECTOS POR EL DIÁMETRO DEL ELECTRODO. Partiendo del mismo principio estudiado del efecto del largo del electrodo, también podría pensarse que incrementando el diámetro del mismo disminuye la resistencia. En realidad lo hace, pero en muy poca medida si los comparamos. El aumento del diámetro del electrodo que es lo que comúnmente se hace, no disminuye proporcionalmente la resistencia eléctrica del electrodo.

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Principalmente es el suelo que rodea la jabalina el que determina la resistencia. Los ensayos en este tema han demostrado que la diferencia de resistencia obtenida entre las jabalinas disponibles comercialmente es despreciable. Para la misma profundidad, doblar el diámetro de la barra copperweld o jabalina reduce la resistencia solo 10%.

La figura 16 Efecto del diámetro del electrodo en la resistencia a tierra muestra esta relación. Por ejemplo, una jabalina de 5/8 de pulgada de diámetro tiene una resistencia de 6.33 ohms, si aumentamos su diámetro a 1-1/4 pulgada la resistencia disminuye solo a 5.6 ohms. Es decir un 10% mientras que el peso el cual determina el precio es el doble. Por esta razón, normalmente solo considere incrementar el diámetro de la varilla si tiene que enterarla en terrenos duros.

Por lo tanto la determinación del diámetro de la jabalina depende de la resistencia mecánica del terreno.

Es importante que la jabalina tenga buena resistencia mecánica para lograr un fácil hincado sin problemas de pandeo y una eficaz protección contra la corrosión para tener una gran duración.

Las jabalinas tipo copperweld tienen una resistencia a la rotura de 50 kg./mm² y una gruesa capa de cobre. Como dato ilustrativo en la mayoría de los terrenos se pueden hincar sin problemas jabalinas de 1/2”×3 mts., para terrenos más duros es aconsejable 5/8” ò 3/4” dependiendo del mismo.

USO DE ELECTRODOS MÚLTIPLES. Cuando enterramos dos electrodos bien espaciados en la tierra, estos proporcionan caminos paralelos. Son en efecto, dos resistencias en paralelo. No obstante, la regla para dos resistencias en la paralelo no se aplica exactamente; esto significa que la resistencia resultante no es la mitad de la resistencia de un electrodo individual, esto suponiendo que sean del mismo diámetro y largo.

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Realmente, la reducción de dos electrodos de igual resistencia es próxima al 40%. Si se emplean tres electrodos la reducción es cercana al 60%, y si se utilizan cuatro será alrededor del 66%.

Como se puede apreciar en la Figura 17 Resultados obtenidos del uso de electrodos múltiples en la medida en que vamos adicionando barras copperweld al terreno la resistencia diminuye en los porcentajes que se indican.

Cuando se emplean múltiples electrodos, estos deben espaciarse más que la longitud de su inmersión. Existen razones teóricas para esto, pero solo necesita referirse a las curvas tales como las de la Figura 17.

Por ejemplo, si tiene dos electrodos en paralelo y un espaciamiento de 10 pies, la resistencia se disminuye aproximadamente en un 40%. Si el espaciamiento se incrementa al doble la reducción es aproximadamente 50%.

CÓMO ELEGIR EL PUNTO MÁS OPORTUNO PARA ENTERRAR DISPERSORES:

Se debe elegir los lugares que presenten menor resistividad. El terreno lluvioso es el mejor, buscando preferentemente capas de humus profundas, preferir zonas vegetadas, las que mantienen muy bien la humedad.

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En terrenos ondulados es preferible enterrar los dispersores en zonas de depresión. Preferir zonas de embalses de aguas de lluvias o de desagües, se pueden crear desagües artificiales hacia los lugares donde se encuentran enterrados los dispersores.

Un buen electrodo de tierra de baja resistencia depende de un terreno de baja resistividad en un punto en el que se puedan enterar los electrodos.

Existen dos maneras para seleccionar el lugar las cuales son:

1. Enterrar varillas en varios lugares a las profundidades que se requieran y probar suresistencia mientras se entierran.

2. Medir la resistividad del terreno antes de enterrar las varillas de tierra.

Luego calcular el número y la longitud de las varillas requeridas. Para obtener un electrodo de baja resistencia en un lugar desfavorable, disponga líneas rectas separadas entre sí unos 3 metros (10 pies), que cubran el área en cuestión.

En la figura 18 se puede observar una cuadricula conformada por filas identificadas por letras mayúsculas A, B, C, D … y columnas por minúsculas a, b, c, d … de cuadrados con lados iguales, estos lados son de 3 metros. Es recomendable hacer marcas en el terreno con pintura o estacas.

Concluida la cuadricula, entierre las cuatro puntas o electrodos del equipo de medida separadas entre sí 3 metros o en las marcas previamente dimensionadas, pero a una profundidad no mayor de 15 cm (6 pulgadas), a lo largo de la primera fila o fila A en los puntos a-b-c-d de las columnas respectivamente, como se muestra en la figura 18. Mida la resistencia R entre las estacas b y c, usando el método descrito para resistividad del terreno.

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El lugar que dé la lectura más baja en el probador de tierra MEGGER es el más deseable. Luego cambie las estacas a lo largo de la línea en cuestión a los puntos b-c-d-e, c-d-e-f y así sucesivamente como se aprecia en la figura 18 y pruebe hasta que se haya cubierto la fila completa. En seguida, pase a la siguiente fila y repita el proceso anterior hasta haber cubierto el área seleccionada. El lugar que dé el valor más bajo para R tiene la resistencia específica menor para el terreno a la profundidad seleccionada de 3 metros (10 pies). Ese punto le dará el lugar, más conveniente deseado, para el mejor electrodo de tierra. Para resultados afectados por la resistividad promedio del terreno a una profundidad de 6 metros, repita el sondeo con líneas separas entre sí 6 metros (20 pies) y con estacas espaciadas entre sí 6 metros. Tales sondeos no llevan mucho tiempo y se amortizarán en el aseguramiento de un buen sistema de tierras.

DIMENSIONES MÍNIMAS DE LOS ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA.

1. Las dimensiones de las jabalinas se ajustarán a las especificaciones siguientes:

Las varillas de cobre o acero recubierta de cobre, no serán de un diámetro inferior a 14 mm.

Los tubos de cobre o acero recubiertos de cobre no serán de un diámetro inferior a 30 mm ni de un espesor de pared inferior a 3 mm.

Los perfiles de acero no serán de un espesor inferior a 5 mm ni de una sección inferior a 350 mm².

2. Los conductores enterrados, sean de varilla, cable o planchuela, deberán ser de cobre o de acero recubierto de cobre y deberán tener una sección mínima de 35 mm². El espesor mínimo de las planchuelas y el diámetro mínimo de los alambres de los cables no será inferior a 2 mm en el caso de cobre, y 3 mm en el caso de acero recubierto de cobre.

3. Las placas o chapas deberán ser de cobre o de acero recubierto de cobre y tendrán un espesor mínimo de 2 mm.

4. En el caso de suelos en los que pueda producirse una corrosión particularmente importante, solo se admitirá el uso de materiales de cobre.

5. Para el cálculo de la sección de los electrodos se remite a lo indicado en el capítulo de “Líneas de Tierra”.

INSTALACIONES DE ELECTRODOS

En la elección del tipo de electrodos, así como su forma de colocación y de su emplazamiento, se tendrán presentes las características generales de la instalación eléctrica, del terreno, el riesgo potencial para las personas y los bienes.

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Se procurará utilizar las capas de tierra más conductoras, haciéndose la colocación de electrodos con el mayor cuidado posible en cuanto a la compactación del terreno.

Se deberá tener presente la influencia de las heladas para determinar la profundidad de la instalación teniendo esta un mínimo de 25 cm de profundidad.

PROCEDIMIENTO GENERAL

Como se ha establecido el procedimiento de cálculo que se realice debe contener lo establecido en la Guía IEEE- 80 o equivalente, por lo que en términos generales deberá contemplar como mínimo los siguientes pasos:

1) Investigación de las características de resistividad y homogeneidad del suelo.

2) Determinación, teniendo especialmente en cuenta la información suministrada por el Distribuidor a estos efectos, de las corrientes máximas de puesta a tierra y del tiempo máximo correspondiente de eliminación del defecto de acuerdo al sistema de protecciones que prevea.

3) Diseño preliminar de la instalación de tierra.

4) Cálculo de la resistencia del sistema de tierra.

5) Cálculo de las tensiones de paso y toque si corresponde en el exterior de la instalación.

6) Cálculo de las tensiones de paso y de toque en el interior de la instalación.

7) Comprobar que las tensiones de paso y toque calculadas en 5 y 6 son inferiores a los valores máximos admisibles de acuerdo a los tiempos determinados en 2.

8) Investigación de las tensiones transferibles al exterior por tuberías, raíles, vallas, conductores de neutro, blindajes de cables, circuitos de señalización y de cualquier punto potencialemente peligroso y estudio de las formas de eliminación o reducción.

9) Corrección y ajuste del diseño inicial hasta obtener el definitivo.

10) Dimensionado definitivo de la instalación de tierra en función de la intensidad que circula en el defecto y de su tiempo de duración.

11) Realización de la memoria de cálculo, planos y diagramas que deberán quedar contenidas en la Memoria del Proyecto.

CONFIGURACIÓN DE LOS ELECTRODOS

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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. Estos valores son mostrados en la tabla 1.1. 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. El artículo 250-84 de la NOM 001-SEDE-2005 especifica que la distancia mínima de separación entre electrodos debe ser de 1.80 m entre sí; sin embargo indica que aumenta su eficiencia si se separa más la distancia.

Como se observa, se obtienen mejores resultados al instalar tres electrodos en línea que en triángulo y además se utiliza menos conductor en su interconexión, se recomienda solamente el arreglo de triángulo cuando no se tiene el espacio suficiente (6 m de longitud).CONCLUSION

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Al desarrollar esta unidad nos damos cuenta de la importancia del aterrizamiento o puesto a tierra de un sistema eléctrico, tanto para nuestra propia seguridad así como también para el funcionamiento óptimo de los sistemas de protección y prevención del deterioro de los equipos eléctricos electrónicos. Aprendimos que para un adecuado sistema de tierra hay varios factores que debemos considerar para poder diseñarlo, los cuales son los siguientes:

Conocer la corriente que vamos a drenar a nuestra red. Conocer la resistividad del terreno donde instalaremos nuestra red. Calcular las tensiones de paso y contacto. Calcular el calibre del conductor.

Para que nuestro diseño de red este bien debemos de hacer cumplir estas dos condiciones:

Al igual la seguridad en la instalación eléctrica en sí, es de vital importancia, sin embargo, de nada sirve tener el sistema de puesta a tierra mas eficiente, con un valor de impedancia a tierra cercano a cero, si no se cuenta con un sistema que te permita acceder, manipular y trasladar la información que manejas, con la misma seguridad de respaldo y soporte.

BIBLIOGRAFIA

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(PDF) ABC SISTEMAS, PUESTA A TIERRA Y PARARRAYOS

(PDF) IEEE PUESTA A TIERRA

(PDF) MANUAL DE PUESTA A TIERRA “ING. GREGOR ROJAS”

(PDF) METODO DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA PARA CENTROS DE TRANSFORMACION CONECTADOS A REDES DE TERCERA CATEGORIA “UNESA”

(PDF) SISTEMAS DE TIERRAS APLICADO A UNA SUBESTACION ELECTRICA DE POTENCIA “INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL”

(PDF) SISTEMA DE TIERRA PARA EQUIPO ELECTRICO ELECTRONICO “UNIVERSIDAD AUTONOMA NACIONAL DE MEXICO”

ANEXOS

DIAGRAMA DE FLUJO

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El siguiente diagrama de flujo (figura 2.1), ilustra la secuencia de pasos que se deben realizar para el diseño de un sistema de tierra. Los parámetros indicados en el diagrama de flujo se describen en la Tabla 2.2.

DESCRIPCION DE PARAMETROS PARA EL DISEÑO

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CÁLCULO DE UN SISTEMA DE TIERRAS PARA UNA SUBESTACIÓN DE POTENCIA.

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Para el diseño de tierra se requiere contar con la siguiente información:

Planta general de la subestación para visualizar cual es la disposición del equipo y de las estructuras, así como del área que ocupan y de esta manera definir la superficie que ocupará el sistema de tierra.

Resistividad del terreno: Medición de resistividad del terreno. Corriente de falla en la subestación: Magnitud de corriente de cortocircuito

simétrica eficaz para fallas de fase a tierra If = 3I0, que se pueden presentar en las subestaciones.

En este proyecto se desea construir una red de tierras para una subestación de distribución, con relación de 230/23 kV, las dimensiones del local que albergará la subestación son de 190 × 70 m, y esta localizado sobre un terreno de tierra de labor, con una resistividad promedio de 73.451 Ω-m, la corriente de corto circuito (Icc) será calculada a partir de la potencia de corto circuito de 1200 MVA, la cual fue proporcionada por la compañía suministradora.

Debido a que la condición más crítica de corriente de corto circuito en la subestación es producida por una falla de fase a tierra en la barra de 23 kV, la Icc será calculada con la siguiente ecuación.

PASO 1. Cálculo de la corriente de falla simétrica eficaz considerando el factor de crecimiento a futuro del sistema:

Crecimiento a futuro del sistema, se considera un 40%, es decir fc = 1.4.

Por lo tanto, la corriente de falla simétrica eficaz para el diseño de la red es:

PASO 2. Cálculo de la sección transversal del conductor: La sección transversal del conductor para un sistema de tierra requerida, en función de la elevación de temperatura de corto tiempo, la magnitud y el tiempo de duración de la falla y cuando se conocen las constantes del material del conductor, se puede determinar con la siguiente ecuación 1.1:

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La corriente de falla 3I0 utilizada para determinar la sección transversal del conductor para la red del sistema de tierra, debe ser la esperada considerando las expansiones futuras del sistema. Se obtiene el diámetro del conductor a partir de su sección transversal.

Para conductores de cobre a cierta temperatura de referencia y con conductividad de 97%, se tienen los siguientes valores: (Ver tabla 1.2. Constantes del material).

Despejando el área de la sección transversal del conductor AT. Ecuación 1.3.

Con la sección transversal mínima obtenida se puede seleccionar un conductor con sección transversal nominal de 107.2 mm2 (4/0 AWG), siendo este calibre el más empleado por su resistencia mecánica. Se utiliza el cobre por su mejor conductividad tanto eléctrica como térmica y sobre todo por ser resistente a la corrosión debido a que es catódico respecto a otros materiales que pudieran estar enterrados cerca de él.

PASO 3. Se procede a calcular los potenciales de paso y contacto, considerando una duración de la falla de 0.5 s. y resistividad promedio del suelo de 73.451 Ω-m.

Para el diseño preliminar se considera que no se tiene capa superficial por lo que:

Fórmula de tensión de paso para 50 kg. Ecuación 1.21.

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Fórmula de tensión de paso para 70 kg. Ecuación 1.22.

Fórmula de tensión de contacto para 50 kg. Ecuación 1.26.

Fórmula de tensión de contacto para 70 kg. Ecuación 1.27.

PASO 4. Cálculo del área del terreno.

PASO 5. Determinación de la longitud del conductor de la red. Para determinar en forma preliminar la longitud del conductor de la red se debe procurar que las mallas formen lo más aproximado posible un cuadrado, por lo que la relación entre el número de mallas sobre el eje “X” y el número de mallas sobre el eje “Y” debe corresponder aproximadamente a la relación entre el largo y el ancho de la red.

Si en forma tentativa se consideran 17 mallas sobre el eje “x”, el número de mallas sobre el eje “y” será:

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Por lo que en forma preliminar la red estará constituida por 18 conductores transversales (paralelos al eje y) y 7 conductores longitudinales (paralelos al eje x), tomando en cuenta que el diseño preliminar no considera varillas, la longitud total (LT) va a ser igual a la longitud total del conductor (Lc) para la red:

Con una separación preliminar entre conductores paralelos de:

PASO 6. Cálculo de la resistencia de la red, enterrada a una profundidad (h) de 0.5m. Ecuación 1.9.

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PASO 7. La corriente máxima de la red se calcula aplicando el factor de decremento a la corriente de cortocircuito If, se le aplica el factor de decremento Df (Ver tabla 2.1) para obtener la corriente asimétrica eficaz IT.

PASO 8. Durante las condiciones de falla, la tensión de transferencia resultante puede ser igual o exceder a la máxima elevación de tensión de la red ER. La máxima elevación de tensión de la red es el máximo potencial eléctrico que se puede tener entre un punto de la red del sistema de tierra de una subestación y un punto que está al mismo potencial de un sistema de tierra de una subestación remota. Esta tensión se determina con la siguiente expresión:

Por lo cual

Es decir

Si ER < Econtacto70 el diseño es seguro y finaliza.

Como la condición no se cumple es necesario continuar con el análisis.

PASO 9. Cálculo de la longitud total del perímetro (Lp).

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PASO 10. Cálculo de “n” (Número de conductores paralelos de la malla). Ecuaciones 2.2, 2.3, 2.4.

Para el cálculo preliminar se considera la forma, para esta caso se tiene una malla rectangular, por lo tanto nc y nd son igual a 1.

PASO 11. Cálculo del diámetro del conductor de la red en m. Ecuación 2.9.

PASO 12. Cálculo del factor de ajuste para los efectos de los interiores en la malla de una de las esquinas de la red. Ecuación 2.7.

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PASO 13. Cálculo del factor que enfatiza los efectos de la profundidad de la red.Ecuación 2.8.

h0 es igual a 1m (referencia de la profundidad de la malla)

PASO 14. Cálculo del factor de espaciamiento para la tensión de malla. Ecuación2.1.

PASO 15. Cálculo del factor de corrección por geometría o de irregularidad de la red Ki en función de “n” está definido como: Ecuación 2.10.

PASO 16. Cálculo de la tensión de malla máxima. Ecuación 1.30.

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PASO 17. Comparación de la tensión de malla máxima en la red del sistema de tierra con la tensión de contacto tolerable por el cuerpo humano a 70 kg.

Como la tensión de malla máxima es mayor que la de contacto tolerable por el cuerpo humano, es necesario corregir el diseño.

REDISEÑANDO LA MALLA

Debido a que la tensión máxima de malla debe ser menor a la tensión de contacto tolerable por el cuerpo humano, es necesario rediseñar la malla y se procede a disminuir los espaciamientos entre conductores de la malla, implementación de varillas en las esquinas y perímetro.

PASO 18. Longitud mínima del conductor de la red.

El primer paso es verificar que la longitud de conductor de la red utilizada es mayor que la longitud mínima requerida, para que la tensión máxima de malla sea menor que la tensión de contacto tolerable por el cuerpo humano.

Como la longitud mínima requerida de conductor de la red es mucho mayor que la utilizada en el diseño preliminar, por lo que sería muy costoso su instalación, entonces se recomienda utilizar otro método, que consiste en colocar una capa de 15 cm de espesor de grava en la superficie que cubre la red del sistema de tierra.

Normalmente se considera que esta capa de grava, tiene una resistividad de 3000 Ωm (Ver Tabla 1.6). Para incrementar la resistencia en serie con el cuerpo humano.

PASO 19. Cálculo del factor que relaciona el valor de la resistividad de la capa superficial ρs con el valor de la resistividad del terreno ρ. Capa superficial de grava 3000 Ω-m. Ecuación 1.14.

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PASO 20. Procedimiento para recalcular las tensiones tolerables por el cuerpo humano al agregar una capa superficial ρs de 3000 Ω-m, se toman en cuenta solo las tensiones a 70 kg debido a que se considera un peso promedio.

Tensión de contacto para 70 kg. Ecuación 1.27.

Tensión de paso para 70 kg. Ecuación 1.22.

PASO 21. Determinación de la nueva longitud del conductor de la red

Si en forma tentativa se consideran 25 mallas sobre el eje “x”, el número de mallas sobre el eje “y” será:

PASO 22. Determinación de la longitud del conductor de la red.

En forma preliminar la red ahora estará constituida por 26 conductores transversales (paralelos al eje y) y 10 conductores longitudinales (paralelos al eje x), teniéndose una longitud total de conductor para la red de:

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La longitud total será la suma de la longitud del conductor Lc mas la longitud de las varillas LR.

Con una separación preliminar entre conductores paralelos de:

PASO 23. Cálculo de la resistencia de la red. Ecuación 1.9.

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PASO 24. Calculo de “n” (Número de conductores paralelos de la malla). Ecuaciones 2.2, 2.3, 2.4.

Para el cálculo se considera una malla rectangular, por lo tanto nc y nd son igual a 1.

PASO 25. Cálculo del factor de espaciamiento para la tensión de malla. Ecuación 2.1. Los factores siguientes no se ven afectados en el rediseño de la malla:

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PASO 26. Cálculo del factor de corrección por geometría o de irregularidad de la red Ki en función de “n” está definido como: Ecuación 2.10.

PASO 27. Cálculo de la tensión de malla máxima, considerando las varillas. Ecuación 1.31.

PASO 28. Comparación de la tensión de malla máxima en la red del sistema de tierra con la tensión de contacto tolerable por el cuerpo humano

PASO 29. Longitud mínima del conductor de la red.

Se verifica que la longitud de conductor de la red propuesta sea mayor que la longitud mínima requerida, cuando se emplea una capa superficial.

Como la longitud mínima requerida de conductor de la red es menor que la propuesta en el diseño, se continúa con el siguiente paso.

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PASO 30. Cálculo de la longitud efectiva de los conductores de la red con o sin varillas de aterrizaje en (m), para la tensión de paso. Ecuación 1.33.

PASO 31. Factor de espaciamiento para la tensión de paso.

Considerando al potencial de paso a un metro fuera de la esquina más alejada de la red y al conductor enterrado a una profundidad de 0.25 m < h <2.5 m, Ks se puede determinar con la siguiente ecuación: Ecuación 2.11.

PASO 32. Cálculo de la tensión de paso máxima de la red. Ecuación 1.32.

PASO 33. Comparando la tensión de paso máxima de la red con la tensión de paso tolerable con el cuerpo humano a 70 kg. se observa que:

PASO 34. Análisis de resultados

Se comprueba que las tensiones calculadas en la malla y en su periferia, no sobrepasen a las tensiones tolerables al cuerpo humano.

SE CUMPLEN AMBAS CONDICIONES

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Se verifica que la longitud del conductor del sistema de tierras calculado, no sobrepase a la longitud previamente propuesta.

SE CUMPLE LA CONDICIÓN

Con los resultados obtenidos, la red es segura por lo que solo es necesario incluir en el diseño del sistema de tierra, los conductores para la puesta a tierra de los equipos como los neutros de los transformadores de potencia y de instrumento, apartarrayos, etcétera. Las técnicas para una correcta puesta a tierra de los equipos se podrán realizar con la ayuda del Capitulo 4. “Puntos de Conexión a la Red de Tierras”.

En la Figura. 2.4, se indica el sistema de tierra resultante del presente ejemplo, en la Subestación de Distribución 230/23 kV.

Figura 2.4. Proyecto Subestación de Distribución 230/23 kV.

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