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Sistemas e puesta a tierraTRANSCRIPT
SISTEMAS DE PUESTA A TIERRAIng. Flavio Tito Fuentes
INDICE
I Introducción Pag. 2
II Definiciones Pag. 3
III Resistividad de Suelos Pag. 13
IV Teoría y diseño de un sistema de puesta a tierra Pag. 23
V Esquemas de conexión a tierra Pag 40
VI Fenómenos eléctricos transitorios Pag. 51
VII Ejemplo practico de diseño de SPAT Pag. 60
VII Anexos Pag. 64
IX Bibliografía Pag. 83
Lima Agosto 2007
SISTEMAS DE PUESTA A TIERRAIng. Flavio Tito Fuentes
INDICE
I Introducción Pag. 2
II Definiciones Pag. 3
III Resistividad de Suelos Pag. 13
IV Teoría y diseño de un sistema de puesta a tierra Pag. 23
V Esquemas de conexión a tierra Pag 40
VI Fenómenos eléctricos transitorios Pag. 51
VII Ejemplo practico de diseño de SPAT Pag. 60
VII Anexos Pag. 64
IX Bibliografía Pag. 83
Puno Agosto 2007
SISTEMAS DE PUESTA A TIERRAIng. Electricista Flavio Tito Fuentes CIP 79605
I INTRODUCCION.-La tecnología electrónica y la miniaturización de los circuitos en nuestros días tienen
un avance incontenible, son cada vez mas sofisticados los equipos y brindan mayores
prestaciones inteligentes a la sociedad, pero asimismo presentan también algunas
debilidades entre las cuales podemos contar con la sensibilidad a los cambios bruscos
de las condiciones de operación, esto es a las fluctuaciones en la alimentación
eléctrica o a los fenómenos eléctricos transitorios que se presentan o inducen en las
líneas físicas a las cuales están conectadas estos circuitos, esta demostrado que estos
fenómenos son muy perjudiciales para su funcionamiento, ya que paralelamente a las
redes tradicionales de alimentación coexisten en el espectro electromagnético redes
electrónicas, telefonía, data, etc., que se interrelacionan unas a otras.
Para evitar y atenuar la peligrosidad de estos fenómenos en la vida y funcionamiento
de los equipos se ha previsto la estabilidad, continuidad de funcionamiento y la
protección de los mismos con dispositivos que eviten el ingreso de estos transitorios a
los sistemas en fracciones de segundo (nanosegundos) y sean dispersados por una
ruta previamente asignada como es la puesta a tierra, que es el primer dispositivo
protector no solo de equipo delicado, sino también de la vida humana evitando
desgracias o pérdidas que lamentar.
La protección eléctrica y electrónica tiene pues dos componentes fundamentales, que
son indesligables uno de otro como: los equipos protectores (pararrayos, filtros,
supresores, etc., etc.) y el sistema dispersor o Sistema de Puesta a Tierra,
entendiéndose esta como el pozo infinito donde ingresan corrientes de falla o
transitorios que no tienen retorno porque van a una masa neutra lo suficientemente
grande como es el planeta tierra.
El SPAT para entenderlo mejor debemos estudiarlo desde el inicio y será conociendo
la resistividad de los suelos y las propiedades electromagnéticas de estos, que
realizaremos un adecuado diseño del SPAT con un resultado eléctricamente aceptable
de acuerdo a normas y exigencias de los equipos a protegerse sea en AT o BT.
II DEFINICIONES1. OBJETO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRAEl sistema de puesta a tierra se establece con objeto, principalmente, de limitar la
tensión que con respecto a tierra puedan presentar en un momento dado las masas
metálicas, asegurar la actuación de las protecciones y eliminar o disminuir el riesgo
que supone una avería en el material utilizado.
Ademas el sistema de puesta a tierra se usa para:
Obtener una resistencia eléctrica lo más baja posible para derivar a tierra
corrientes de falla, Fenómenos Eléctricos Transitorios (FETs.), corrientes
estáticas y parásitas; así como ruidos eléctricos y de radio frecuencia.
Mantener los potenciales producidos por las corrientes de falla dentro de los
límites de seguridad de modo que las tensiones de paso o de toque no sean
peligrosas para los humanos y/o animales.
Hacer que el equipamiento de protección sea más sensible y permita una
rápida derivación de las fallas a tierra.
Proporcionar un camino de derivación a tierra de descargas atmosféricas,
transitorios y de sobretensiones internas del sistema.
Ofrecer en todo momento y por un lapso prolongado baja resistencia eléctrica
que permita el paso de las corrientes derivadas.
Servir de continuidad de pantalla en los sistemas de corriente continua.
2 NORMAS Para estudiar los Sistemas de Puesta a Tierra, se ha tomado como referencia las
siguientes normas y estándares tanto nacionales como internacionales que en este
tema casi siempre coinciden, casi todos los países coinciden en sus
reglamentaciones en el aspecto de la puesta a tierra
ANSI/IEEE Std 81 – 1983 IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground
Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System.
CODIGO NACIONAL DE ELECTRICIDAD SUMINISTRO Sección 3 Métodos de
puesta a tierra para instalaciones de suministro eléctrico y comunicaciones.
IEEE Std. 81 (1983) IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance,
and Earth Surface Potentials of a Ground System
IEEE Std. 141- (1986) IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for
Industrials Plants.
IEEE Std. 1100 (1999) - IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment.
Instrucción MIE BT – 008 Puesta a neutro de masas en redes de distribución de
energía eléctrica (Reglamento España)
Instrucción MIE BT – 039 Puesta a Tierra (Reglamento España)
ITC MIE-RAT 09 Protecciones (Reglamento España)
ITC MIE-RAT 13 Instalaciones de Puesta a Tierra (Reglamento España)
National Fire Association Protection con el estándar NFPA 780.
National Electric Code, Article 250 Grounding.
NFC 17 102 Reglamento francés de Pararrayos
Norma CEI 1024 – 1 : 1990
Norma CEI 1024 – 1 –1 1993
Norma UNE 21 185: 1995
UNE 21 186 Reglamento español de Pararrayos
3. SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA. DEFINICIÓNLa denominación sistemas de puesta a tierra SPATs comprende toda la ligazón
metálica directa sin fusible ni protección alguna, de sección suficiente, entre
determinados elementos o partes de una instalación y un electrodo, o grupo de
electrodos, enterrados en el suelo, con objeto de conseguir que en el conjunto de
instalaciones, edificios y superficie próxima del terreno no existan diferencias de
potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes
de falta o la de descarga de origen atmosférico.
4 DEFINICIONES DE TERMINOS4.1.- PUESTA A TIERRA.- Electrodo preferentemente de Cu., en contacto eléctrico
directo con tierra, concebido y utilizado para dispersar corrientes eléctricas de falla por
el terreno.
4.2. - CONDUCTOR DE TIERRA.- Conductor o conjunto de conductores, que
enlazan la puesta a tierra al colector de tierra; esta definición es válida únicamente
para los tramos aislados eléctricamente del terreno, mientras que los tramos en
contacto con el terreno son parte de la puesta a tierra.
4.3.- COLECTOR DE TIERRA.- Conductor en forma de barra o de anillo, al que
están conectados, de un lado, el conductor o conductores de tierra, y del otro lado, el o
los sistemas de distribución de tierra.
4.4.- SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE TIERRA.- Conductor o conjunto de
conductores que enlazan al colector de tierra las distintas partes que han de ponerse a
tierra.
4.5.- SISTEMA DE PUESTA A TIERRA (SPAT). Conjunto general de tierra, formado
por la puesta a tierra, el o los conductores de tierra, el colector de tierra, y el o los
sistemas de distribución de tierra. (Ver Fig. Nº 1).
4.6.- TIERRA DE SERVICIO O NEUTRO.- Instalación de tierra, utilizada para el
funcionamiento de los circuitos con aterramiento del neutro, siendo parte de esta y en
algunos casos comportandose como líneas activas.
4.7.- TIERRA DE PROTECCION.- Instalaciones de tierra, empleadas para limitar y
eliminar las corrientes de falla.
4.8.- PONER A TIERRA.- Conectar un equipo determinado, a una instalación de
tierra.
4.9.- TENSION DE CONTACTO.- Tensión a la que puede estar sometido el cuerpo
humano, como consecuencia del contacto con partes metálicas accesibles que por
regla general, no deben estar bajo tensión, pero que por defectos de aislamiento o por
otras causas, podrían encontrarse bajo tensión.
4.10.- EQUIPOTENCIALES.- Conexión de todas las partes metálicas susceptibles de
ponerse en contacto con la corriente, por medio de un conductor de sección
apropiada, cuyo fin es el de eliminar las diferencias de potencial entre las estructuras
metálicas, en los casos en los que estas diferencias puedan constituir un peligro para
el personal y para los equipos.
5. PROHIBICIÓN DE INCLUIR EN SERIE LAS MASAS Y LOS ELEMENTOSMETÁLICOS EN EL CIRCUITO DE TIERRALos circuitos de puesta a tierra formarán una línea eléctricamente continua en la que
no podrán incluirse en serie ni masas ni elementos metálicos cualquiera que sean
éstos. Siempre la conexión de las masas y los elementos metálicos al circuito de
puesta a tierra, se efectuará por derivaciones desde éste.
6. ELECTRODOS. NATURALEZA, CONSTITUCIÓN, DlMENSIONES YCONDICIONES DE INSTALACIÓN6.1 Naturaleza de los electrodosLos electrodos pueden ser artificiales o naturales. Se entiende por electrodos
artificiales los establecidos con el exclusivo objeto de obtener el sistema de puesta a
tierra, y por electrodos naturales las masas metálicas que puedan existir enterradas.
Para las sistemas de puesta a tierra se emplearán principalmente electrodos
artificiales. No obstante, los electrodos naturales que existieran en la zona de una
instalación y que presenten y aseguren un buen contacto permanente con el terreno,
deben conectarse para equipotencializar el sistema.
6.2 Constitución de los electrodos artificialesLos electrodos podrán estar constituidos por:
— Electrodos simples constituidos por barras, tubos, placas, cables, pletinas u otros
perfiles.
1
2 33
5
44
5
5
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55
5
5
44
FIGURA 1
1.- PUESTA A TIERRA 2.- CONDUCTOR DE TIERRA3.- COLECTOR DE TIERRA 4.- SISTEMA DE DISTRIBUCION DE TIERRA5.- EQUIPAMIENTO QUE DEBE PONERSE A TIERRA
— Anillos o mallas metálicas constituidos por elementos indicados anteriormente o por
combinaciones de ellos.
Los electrodos serán de metales inalterables a la humedad y a la acción química del
terreno, tal como el cobre y el fierro galvanizado.
6.2.1 Placas enterradasLas placas de cobre tendrán un espesor mínimo de 2 mm y las de fierro galvanizado
de 2,5 mm. En ningún caso la superficie útil de la placa será inferior a 0,5 m2. Se
colocarán en el terreno en posición vertical.
6.2.2 Barras verticalesLas barras verticales podrán estar constituidas por:
— tubos de acero galvanizado de 25 mm de diámetro exterior, como mínimo,
— barras de cobre o de acero de 14 mm de diámetro como mínimo; las barras de
acero tienen que estar recubiertas de una capa protectora exterior de cobre de
espesor apropiado.
Las longitudes mínimas de estos electrodos no serán inferiores a 2 m. Si son
necesarias dos barras conectadas en paralelo con el fin de conseguir una resistencia
de tierra admisible, la separación entre ellas es recomendable que sea igual, por lo
menos, a 4 veces la longitud enterrada de las mismas.
6.2.3 Conductores enterrados horizontalmenteEstos conductores pueden ser:
— conductores o cables de cobre desnudo de 50 mm2 de sección, como mínimo,
— pletinas de cobre de, como mínimo con 50 mm2 de sección y 2 mm de espesor,
— pletinas de acero galvanizado de, como mínimo, 100 mm2 de sección y 3 mm de
espesor,
— cables de acero galvanizado de 95 mm2 de sección, como mínimo. El empleo de
cables formados por alambres menores de 2,5 mm de diámetro está prohibido,
— alambres de acero de, como mínimo, 20 mm2 de sección, cubiertos con una capa
de cobre de 6 mm2 como mínimo.
Los electrodos deberán estar enterrados a una profundidad que impida sean afectados
por las labores del terreno y por las heladas y nunca a menos de 50 cm.
El terreno será tan húmedo como sea posible y preferentemente tierra vegetal,
prohibiéndose constituir los electrodos por piezas metálicas simplemente sumergidas
en agua. Se tenderán a suficiente distancia de los depósitos o infiltraciones que
puedan atacarlos, y si es posible, fuera de los pasos de personas y vehículos.
Para la puesta a tierra de apoyos de líneas aéreas y columnas de alumbrado público,
cuando lo necesiten, será suficiente electrodos que tengan en conjunto una superficie
de contacto con el terreno de 0,25 m2.
Como superficie de contacto con el terreno, para las placas se consideran las dos
caras, mientras que para los tubos sólo cuenta la superficie externa de los mismos.
6.3 Constitución de los electrodos naturalesLos electrodos naturales pueden estar constituidos por:
a) Una red extensa de conducciones metálicas enterradas, siempre que la continuidad
en estas conducciones quede perfectamente asegurada y en el caso de que las
conducciones pertenezcan a una distribución publica o privada, haya acuerdo con los
distribuidores correspondientes. Se prohíbe utilizar como electrodos las canalizaciones
de gas, de calefacción central y las conducciones de desagüe, humos o basuras.
b) La cubierta de plomo de los cables de una red eléctrica de baja tensión enterrada,
con la condición de que la continuidad de la cubierta de plomo esté perfectamente
asegurada y, en el caso de que la red pertenezca a una distribución pública, haya
acuerdo con el distribuidor.
c) Los pilares metálicos de los edificios, si están interconectados, mediante una
estructura metálica, y enterrados a cierta profundidad.
El revestimiento eventual de hormigón no se opone a la utilización de los pilares
metálicos como tomas de tierra y no modifica sensiblemente el valor de su resistencia
de tierra.
7. RESISTENCIA DE TIERRAEl electrodo se dimensionará de forma que su resistencia de tierra, en cualquier
circunstancia previsible, no sea superior al valor especificado para ella, en cada caso.
Este valor de resistencia de tierra será tal que cualquier masa no pueda dar lugar a
tensiones de contacto superiores a:
25 V en local o emplazamiento húmedo
50 V en los demás casos.
Si las condiciones de la instalación son tales que puedan dar lugar a tensiones de
contacto superiores a los valores señalados anteriormente, se asegurará la rápida
eliminación de la falta mediante dispositivos de corte adecuados de la corriente de
servicio.
7.1 RESISTENCIA ELECTRICA RECOMENDABLE:
La resistencia eléctrica que a continuación se detalla para cada tipo de servicio, es a
titulo orientativo y comúnmente empleada como mínimo y máximo; y ella podrá variar,
de acuerdo con las características técnicas de tolerancia de cada equipo
Pararayos contra descargas directas de rayos:
a) Pararrayos de cebado PDC y Franklin l0 Ω
Pararrayos de linea autavalvulares:
a) Media tensión 10 Ω
b) Alta tensión 10 Ω
Proteccion electrica contra, transitorios:a) equipo electrónico 5 Ω
Uso general:
(a) Tableros de baja tension:
(b) Servicio eléctrico 25 Ω
(c) Equipo de control 5 Ω
(d) Mallas industriales 5 Ω
Sub-estaciones de transformacion
a) Malla integral del patio 1 a 5 Ω
NOTA. ---La resistencia de tierra de un electrodo depende de sus dimensiones, de su
forma y de la resistividad del terreno en el que se establece. Esta resistividad varia
frecuentemente de un punto a otro del terreno, y varia también con la profundidad.
La Tabla I da, a titulo de orientación, unos valores de la resistividad para un cierto
número de terrenos. Con el fin de obtener una primera aproximación de la resistencia
de tierra, los cálculos pueden efectuarse utilizando los valores indicados en la Tabla I.
Bien entendido que los cálculos efectuados a partir de estos valores no dan más que
un valor muy aproximado de la resistencia de tierra del electrodo. La medida de
resistencia de tierra de este electrodo puede permitir, aplicando las fórmulas dadas en
la Tabla ll estimar el valor medio local de la resistividad del terreno, el conocimiento de
este valor puede ser útil para trabajos posteriores efectuados, en unas condiciones
análogas.
Tabla I
NATURALEZA DEL TERRENO Resistividad en Ω - mTerrenos PantanososLimoHumusTurba HúmedaArcilla PlásticaMarga y Arcillas CompactasMargas del jurásicoArena ArcillosaArena SilíceaSuelo Pedregoso Cubierto de CéspedSuelo Pedregoso DesnudoCalizas BlandasCalizas CompactasCalizas AgrietadasPizarrasRoca de Mica o CuarzoGranito y Gres procedentes de AlteracionesRoca Ígnea
De algunas unidades a 30 20 a 100 10 a 150 5 a 100
50100 a 200 30 a 40 50 a 500
200 a 3000300 a 500
1,500 a 3,000100 a 300
1,000 a 5,000 500 a 1,000
50 a 300500
1,500 a 10,0005,000 a 15,000
TABLA IIElectrodo Resistencia de Tierra en Ohm
Placa enterrada R = 0.8ρ/p
Barra vertical R = ρ/L
Conductor enterrado horizontalmente R = 2ρ/L
ρ = resistividad en ohm-mp = perímetro de la placa en mL = longitud de la barra o del conductor en m
8. CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES DE INSTALACIÓN DE LAS LÍNEAS DEENLACE CON TIERRA, DE LAS LÍNEAS PRINCIPALES DE TIERRA Y DE SUSDERIVACIONES8.1 Naturaleza y secciones mínimasLos conductores que constituyen las líneas de enlace con tierra, las líneas principales
de tierra y sus derivaciones serán de cobre o de otro metal de alto punto de fusión y su
sección debe ser ampliamente dimensionada de tal forma que cumpla las condiciones
siguientes:
a) La máxima corriente de falta que pueda producirse en cualquier punto de la
instalación, no debe originar en el conductor una temperatura cercana a la de fusión ni
poner en peligro los empalmes o conexiones en el tiempo máximo previsible de
duración de la falta, el cual sólo podrá ser considerado como menor de dos segundos
en los casos justificados por las características de los dispositivos de corte utilizados.
b) De cualquier forma, los conductores no podrán ser, en ningún caso, de menos de
16 mm2 de sección para las líneas principales de tierra ni de 35 mm2 para las líneas
de enlace con tierra, si son de cobre. Para otros metales o combinaciones de ellos, la
sección mínima será aquella que tenga la misma conductancia que un cable de cobre
de 16 mm2 ó 35 mm2, según el caso.
8.2 Tendido de los conductores de la línea de enlace con tierraLos conductores de enlace con tierra desnudos enterrados en el suelo se consideran
que forman parte del electrodo.
8.3 Tendido de los conductores de la línea principal de tierra, y sus derivacionesy de los conductores de protecciónEl recorrido de estos conductores será lo más corto posible y sin cambios bruscos de
dirección. No estarán sometidos a esfuerzos mecánicos y estarán protegidos contra la
corrosión y desgaste mecánico.
8.4 Conexiones de los conductores de los circuitos de tierra con las partesmetálicas y masas y con los electrodosLos conductores de los circuitos de tierra tendrán un buen contacto eléctrico tanto con
las partes metálicas y masas que se desean poner a tierra como con el electrodo. A
estos efectos se dispone que las conexiones de los conductores de los circuitos de
tierra con las partes metálicas y con los electrodos se efectúen con todo cuidado por
medio de piezas de empalme adecuadas asegurando las superficies de contacto de
forma que la conexión sea efectiva, por medio de tornillos, elementos de compresión,
remaches o soldadura de alto punto de fusión.
Se prohíbe el empleo de soldaduras de bajo punto de fusión, tales como estaño, plata,
etc.
Los contactos deben disponerse limpios, sin humedad y en forma tal que no sea fácil
que la acción del tiempo destruya por efectos electroquímicos las conexiones
efectuadas. A este fin, y procurando siempre que la resistencia de los contactos no
sea elevada, se protegerán éstos en forma adecuada con envolventes o pastas, si ello
se estimase conveniente.
8.5 Prohibición de interrumpir los circuitos de tierraSe prohíbe intercalar en circuitos de tierra seccionadores, fusibles o interruptores. Sólo
se permite disponer un dispositivo de corte en los puntos de puesta a tierra, de forma
que permita medir la resistencia de la toma de tierra.
9. REVISIÓN DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRAPor la importancia que ofrece, desde el punto de vista de la seguridad, cualquier
instalación de sistema de puesta a tierra, deberá ser obligatoriamente comprobada por
un profesional competente en el momento de dar de alta la instalación para el
funcionamiento.
Personal, técnicamente competente, efectuará esta comprobación anualmente en la
época en que el terreno esté más seco. Para ello, se medirá la resistencia de tierra,
reparando inmediatamente los defectos que se encuentren. En los lugares en que el
terreno no sea favorable a la buena conservación de los electrodos, éstos, así como
también los conductores de enlace entre ellos hasta el punto de puesta a tierra, se
pondrán al descubierto para su examen, al menos una vez cada cinco años.
III RESISTIVIDAD DE SUELOSPara trabajar con propiedad es necesario conocer la Resistividad del Suelo en la
localización donde se proyecta instalar un Sistema de Puesta a Tierra (SPAT), por lo
que, si la situación lo amerita es necesario realizar un Estudio de Resistividad deSuelos, no olvidemos mencionar que la resistividad del suelo se obtiene ciertamente
solamente por medidas.
1 DEFINICIONES.-
1.1 Resistividad.- Ernesto Orellana (1982) dice “Se sabe por física elemental que
la resistencia R de un conductor alargado y homogéneo de forma cilíndrica vale:
R= ρ*l/s
donde l es la arista o generatriz del conducto y s su sección. La magnitud ρ (rho) es un
coeficiente que depende de la naturaleza y estado físico del cuerpo considerado y que
recibe el nombre de resistividad. Sus dimensiones, según se deduce de la formula
anterior.... sera ohmio x metro ρ x m, que luego se expresa mejor en ohm-m”
1.2 Resistividad de Suelos.- La resistividad de un medio heterogéneo como son
todos los suelos estará influenciado por la presencia de poros rellenos de electrolitos;
por lo que podemos decir que los suelos se consideran como medios de matriz
aislante, en los que existe una red de conductos irregulares y tortuosos llenos de
electrolito a los cuales se debe la conductividad del conjunto, por lo que podemos
definir a la resistividad de los suelos como: La facilidad u oposición natural que
presentan los terrenos al paso de la corriente eléctrica y depende de varios factores
para que un terreno posea mayor o menor resistividad, en los textos a veces se
entiende mejor los conceptos cuando hablamos de la conductividad, que es el inverso
de la resistividad y se expresa en siemens-metro σ-m.
1.3 Clases de conductividad.- Los cuerpos eléctricamente conductores lo son
porque permiten el paso a través de portadores de cargas eléctricas. Estos portadores
pueden ser electrones o iones, por lo que pueden distinguirse dos tipos de
conductividad: electrónica e iónica.
Metales
Electrónica
Semiconductores
Conductividad
Electrolitos sólidos
Iónica (dieléctricos)
Electrolitos líquidos
1.4 Factores que influyen en la resistividad de los suelos:
Tipo de suelo Composición química, presencia de electrolitos.
Terreno Formación de los suelos: peso, gravedad, etc.
Porosidad Inclusiones esféricas vacías o llenas de
humedad/aire.
Humedad Existencia de agua en los poros
Temperatura Condiciones naturales extremas que influyen en la
resistividad
1.5 Influencia de la Humedad.- La conductividad de la mayor parte de los suelos
existente en la superficie terrestre no se debe a la presencia de minerales, ni a la
presencia de inclusiones metálicas, sino a la existencia de poros y fisuras rellenas total
o parcialmente de electrolitos, que reaccionan de alguna manera con al agua o
humedad; el agua contenida en los poros adopta dos formas fundamentales: la
conducción superficial y la ionización de los minerales de la arcilla.
La conducción superficial tiene su origen en que la capa superficial de los minerales
que forman la pared interior de los poros esta en muchos casos cargada
eléctricamente.
Esto se debe a que los átomos más próximos a la superficie límite o pared del poro,
suele tener, por la estructura cristalina del mineral, iones del mismo signo,
generalmente negativo (oxigeno). Esta carga atrae cationes del electrolito contenido
en los poros, e incluso moléculas de agua, formando así una capa de agua cuya
resistividad es baja.
Los fenómenos debido a la presencia de granos de arcilla donde los minerales de la
arcilla han absorbido cationes en una capa fija originando una conductividad
apreciable tiene consecuencias: la primera consecuencia de estos fenómenos es que
el agua contenida en los poros de los suelos experimenta un aumento en su
conductividad por lo que la resistividad de estas aguas no suele ser mayor a 10 Ω-m.
siendo este efecto mayor cuanto mayor sea la presencia de arcilla en los suelos.
Cuando se trata de electrolitos diluidos (agua dulce) predomina la conductividad
adicional debida a la hidrólisis parcial de los minerales de la arcilla, conductividad que
será mayor cuanto menor sea el grano, en razón del aumento correlativo de superficie.
De este modo se explica el conocido hecho de que en sedimentos que contienen agua
dulce, la resistividad crezca en el orden arcillas-limos-arenas-gravas, mientras que si
el agua es salada, el orden de resistividades será el opuesto.
Fig. 2
Por otro lado existe la paradoja de los suelos, según la cual, los suelos de regiones declima seco o desértico, pueden tener menor resistividad que los de zonas de climamuy húmedo, en contra de lo que cabría esperar de la disminución de la resistividadpor el contenido de agua.
La razón de este fenómeno es la siguiente: en zonas de clima muy seco, es frecuentela ascensión de agua hacia la superficie, a través de poros y capilares, con ulteriorevaporación y consiguiente aumento del contenido iónico de las capas superficiales.En las regiones húmedas, por el contrario, la intensa circulación de agua a las capassuperficiales disuelve y arrastra los iones, con lo que tales capas quedan muyempobrecidas en ellos. De ahí la mucho menor conductividad en el segundo casorespecto del primero.
1.6 Medición de la resistividad.- Hemos dicho que la resistividad de los suelos sepuede saber certeramente solamente por medidas, por lo tanto debemos emplear losmétodos existentes para proceder con un Estudio de Resistividad de Suelos.
Método de Wenner.- Método tetraelectródico, con toma de series de datos deacuerdo con formato preestablecido, dando como resultado La Resistividad Aparentesegún el siguiente gráfico:
Índice de humedad % de peso Resistividad Ω-m.suelos arenosos0.0
2.5
5.0
10.0
15.0
20.0
30.0
5000
1500
430
185
105
63
42
A B C D
a a a
Fig. 3 Dispositivo lineal y simétrico
El desarrollo teórico de las relaciones la acción de la corriente eléctrica en suelos dacomo resultado la siguiente formula:
ρ = 2 π a R donde ρ = Resistividad en Ω-m
a = Longitud simétrica R = Resistencia registrada en campo
En esta fórmula indicamos que las variables serán la longitud a, y la resistenciaeléctrica R registrada en campo
Los datos de la Resistencia tomada en Campo se vierten a la Hoja de Datos por elMétodo Wenner, que llevados a un plano de coordenadas logarítmicas nos ofrece unaCurva de Resistividad Aparente, cuya interpretación se muestra mas abajo.
HOJA DE DATOS DE RESISTIVIDAD POR EL METODO DE WENNER
EDELNOR TERRENO SET CHILLON 220/60 kV
B C DNº PRUEBA ESPACIAMIENTO RESISTENCIA RESISTIVIDAD
a R ρ =2 PI*a*R1 1.00 58.60 368.192 2.00 11.66 146.523 3.00 6.35 119.694 4.00 5.60 140.74
Fig. 4
Método de Schlumberger.- Método de cuatro electrodos también, con toma de datosen forma Logarítmica de acuerdo con formato preestablecido, dando como resultadoLa Resistividad Aparente según el siguiente gráfico:
A M N B
o
a
L
Fig. 5 Dispositivo lineal y simétrico
El desarrollo teórico de las relaciones la acción de la corriente eléctrica en suelos da
como resultado la siguiente formula:
ρ = πL2 R/a
donde ρ = Resistividad en Ω-m
L = Longitud OA =OB
R = Resistencia registrada en campo
a = Distancia MN = 1 m.
En esta fórmula indicamos que las variables serán la longitud L, y la resistencia
eléctrica R registrada en campo; la distancia MN = 1 permanece constante para
efectos del presente Estudio
Fig. 6
HOJA DE DATOS DE RESISTIVIDAD POR EL METODO DE SCHLUMBERGER
EDELNOR S.E ANGELICA GAMARRATurbina
A B C ρESPACIAMIENTO ESPACIAMIENTO RESISTENCIA RESISTIVIDAD
OA MN R = PI*L 2*R/a2,00 1,00 8,92 112,092,50 1,00 7,07 138,823,16 1,00 4,71 147,764,00 1,00 3,46 173,925,00 1,00 2,50 196,356,30 1,00 1,70 211,978,00 1,00 1,15 231,2210,00 1,00 0,82 257,6112,50 1,00 0,60 294,5216,00 1,00 0,40 321,7020,00 1,00 0,28 351,8625,00 1,00 0,19 373,0631,60 1,00 0,12 376,45
RESULTADOS PARCIALES
DE ACUERDO AL AJUSTE DE LAS CURVAS PATRON Y LAS CURVASOBTENIDAS DE LOS DATOS DE CAMPO TENEMOS LAS SIGUIENTESCONCLUSIONES:
ρ2/ρ1 = 3,00 CURVA DE AJUSTEρ3/ρ2 = 1,50 CURVA DE AJUSTEρ1 = 110,00 Resistividad de la primera capa en ohmios-m ρ2 = 330,00 Resistividad de la segunda capa en ohmios-m ρ3 = 495,00 Resistividad de la tercera capa en ohmios-m E1 = 0,60 Espesor de la primera capa en m. E2 = 4,00 Espesor de la segunda capa en m.
Fig. 7
0.1 1 100.1
1
10
X-Axis
Y-A
xis
19
9
5.67
4
3
2.33
1.86
1.5
1.22
0.82
0.67
0.54
0.43
0.33
0.25
0.18
0.11
0.05
Curvas Patrón de Resistividad(Método de Schlumberger)
Elaborado por: Para-Rayos S.R.L.
1.7.3 Características gráficas de algunos tipos de suelos.Suelo homogéneo; característica ligeramente ondulante, tendencia horizontal.
ρa = ρ
ρa : Resistividad Aparente
ρ : Resistividad Real
Fig. 8
Suelo de dos capas: Características con un punto de inflexión, tendencia asimétrica en
las extremidades.
ρ1: Resistividad Capa Superficial
ρ2: Resistividad Capa Subyacente
ρa: Es grande
(Figura 9)
a
a
a
1
1
2
2 >PI
Distancia-profundidad
Distancia - profundidad
ρa: Es pequeña (Figura 10)
Fig. 10
Suelo de tres capas: Características con dos puntos de inflexión, tendencia asimétrica
a variados niveles de resistividad en las extremidades.
ρa: Ascendente (Figura 11).
Fig. 11
ρa: Descendente (Figura 12).
Fig. 12
a
1
1
2
2PI
a
1
3
PI
PI
Distancia - profundidad
a
1
2
3
PI
PI
Distancia - profundidad
Distancia-profundidad
1.7.4 Determinación de Resistividades y Espesores de capaLa determinación se hace mediante la familia de curvas Patrón, para los métodos
Wenner o Schlumberger que son los más usuales, en nuestra practica preferimos el
segundo método por ser mas practico y dar resultados más coherentes de la
resistividad de los diferentes estratos del suelo y sus profundidades. Se compara
superponiendo en idéntica escala gráfica, la característica de los puntos obtenidos en
un juego de medidas sobre el terreno, manteniendo el paralelismo de los ejes hasta
lograr la mayor coincidencia; si ésta fuera sólo parcial, el terreno tendrá más de dos
capas.
Marcar el centro “origen” del patrón (Fig. 7) en el gráfico del terreno y a partir de él,
leer en ordenadas la resistividad ρ1, y abscisas el espesor de la misma e1; para el
estrato subyacente. Leer al final de la curva coincidente del patrón, el valor de K que
relaciona ρ2 y ρ1.
IV TEORÍA Y DISEÑO DE UNA PUESTA A TIERRA 1 Electrodos verticales o barras
a. A nivel del suelo
)(36.14
2Ω
Π=
dnR ℓℓ
ℓρ
Fig. 13
b. Enterrado a profundidad h.
)](42
36.14[
2Ω
++
×Π
=ℓℓℓ
ℓℓ h
hd
nR ρ
Fig. 14
c. Dispuestas en línea Recta.
Dh
2h >D l
D l
Dd
>> dI
D l
D l
- dos barras
)](2
1[12 Ω+
=αRR
Fig. 15
- Tres barras
)](76
1[2
13 Ω−
++=
αααRR
Fig. 16
- Cuatro barras
)](4048
231612[3
14 Ω−
−+=
ααRR
Fig. 17
Donde:
R1: Resistencia de una barra (Ohm)
α : Coeficiente de Reducción.
A : Distancia entre barras (m)
r : Radio semiesférico equivalente (m)
1 2 3 4
aa
1 2
aa
1 2 3
aa
)/4(,
dnxrdonde
nr
ℓℓℓ
==α
2 Electrodos Horizontales o Contrapesosa. Al nivel del suelo
)(2732.0 Ω=dLLog
LR ρ
b. Enterrado a profundidad h.
)(85.12
2
ΩΠ
=hd
LnL
R ℓρ
c. Dos contrapesos a profundidad h.
- Disposición Paralela.
)(42.3
16/2
4
ΩΠ
=Aadh
LnL
R ℓρ
Fig. 18
Donde:
22 4haA +=
- Disposición Perpendicular.
)(27.12
2
ΩΠ
=hd
LnL
R ℓρ
- Disposición en Oposición.
)(55.12
2
ΩΠ
=hd
LnL
R ℓρ
Fig. 19
d. Tres contrapesos a Profundidad h.
L/2 L/2
L/2
Ld
)(767.02
2
ΩΠ
=hd
LnL
R ℓρ
Fig. 20
e. Malla a profundidad h.
)(2
Ω+=LD
R ℓρ
Fig. 21
Donde:
L/3
120 o
Ld
D’
M
D
D = d’
L : Longitud Total.
R = (P / L) + 0.443 (P / √ D.D’ ) (Ω)
3 Electrodos compuestos, métodos de SCHWARTZ
a. Red mallada y barras
- Reticulado.
)](2[ 21
1 Ω−+Π
= kSLk
hdLn
LR ℓ
ρ
- Barras
)]()1(2124[ 212 Ω−+−
+Π
= NS
ka
nL
R ℓℓℓ
ρ
- Resistencia mutua.
)](1[12112 Ω−Π
−==hd
nL
RRR ℓℓ
ρ
- Resistencia Combinada.
)(2 1221
21221 Ω−−
−=
RRRRRRRT
Donde:
ρ : Resistividad aparente del suelo, (Ω - m).
L : Longitud de desarrollo del reticulado (m).
H : Profundidad de enterramiento (m).
S : Superficie Cubierta por la malla (m2).
N : Número de barras
l : Longitud de cada barra (m).
a : Radio de las barras (m).
d : Diámetro del Contrapeso (m).
)/(044.0)3.2(43.11 BAShK −−=
)/)(15.0()8(50.52 BASh
ShK −−−=
A: Lado mayor o Longitud de la malla (m).
B: Lado menor o ancho de la malla (m).
Para un área cuadrada.
k1 = 1.4
k2 = 5.6
Para conocimiento y consideración en el momento de diseñar un sistema de
puesta a tierra para uso en baja tensión o de subestaciones eléctricas
incluimos las formulas y gráficos correspondientes a las tensiones de paso y
toque en sistemas eléctricos.
4 TENSION DE PASO
EP = ( RK + 2RT )IK
EP = ( 1000 + 6 ρ C ) (0.116 / √ t )
Donde:
EP: Tensión de Paso (V).
RK: Resistencia del Cuerpo (Ω).
RT: Resistencia de Contacto, (Ω).
IF: Corriente de Falla (A)
t: duración de la Falla (s)
E: Potencia Remoto (V)
G: Gradiente (V/m)
ρC: Resistividad del suelo Superficial ≈1000 (ρ - m).
R T R R RP P T
R1
I =K
G =
R = 2 RK P
R = 3 T CP
RP RP
RT
R1 R2 R3
RT
R2
IK
IFR3
CARACTERISTICASDEL GRADIENTE
EP
IF
LPP
C
0.116 t
P I2 d
F2
E = I2 dP F
Fig. 22
5 TENSION DE TOQUE
ET = ( RO + RK + RK /2 )IK
ET = ( 1000 + 1.5 ρ S ) (0.116 / √ t )
Donde:
ET : Tensión de Toque (V).
RO : Resistencia de Contacto Mano (Ω).
RK : Resistencia del Cuerpo (Ω).
RT : Resistencia de Contacto PIE (Ω).
IF : corriente de Falla (A).
ρS : Resistividad del Suelo Superficial (Ω - m).
t : Duración de la Falla (s)
E : Potencia Remoto (V).
G : Gradiente (V/m)
R O Rr
R1
I =K
G =
E =
R = 0O
R = 3 T CP
RK
RO
R1 R2
RT
R1
IK
IFR2
CARACTERISTICASDEL GRADIENTE
ET
IF
L dPP
S GRAVA
0.116 t
P I2 d
T2
P I2 d
F
RT
RT
Fig. 23
6 MÉTODOS PARA LA REDUCCIÓN DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA
Existen distintos métodos para lograr la reducción de la resistencia eléctrica, aunque
todos ellos presentan un punto de saturación que es conveniente conocer para evitar
diseños antieconómicos. Los métodos para la reducción son los siguientes:
El aumento del número de electrodos.
El aumento de la distancia entre ejes de los electrodos.
El aumento de la longitud de los electrodos.
El aumento del diámetro de los electrodos.
El cambio del terreno existente por otro de menor resistividad.
El tratamiento químico electrolítico del terreno.
La construcción de mallas con zanjas de interconexión con cambio de tierra
y tratamiento químico para aprovechar las propiedades de los contrapesos
con cables desnudos de adecuado calibre.
6.1 El Aumento del Número de Electrodos
La acción de aumentar el número de electrodos conectados en paralelo disminuye el
valor de la "Resistencia Equivalente", pero esta reducción no es lineal puesto que la
curva de reducción tiene tendencia asintótica a partir los 5 Ω, además, existe el
fenómeno de la resistencia recíproca entre los electrodos y entre estos y los
contrapesos.
Supongamos un medio ideal en el que la resistividad de un terreno homogéneo es de
600 Ω-m e instalamos un electrodo de 2 m. aplicaremos la fórmula:
rnR /2)2
( ℓℓℓΠ
=ρ
donde : ( rn /2ℓℓ ) /2 πℓse considera = K; operando la fracción vale 0,49454 por lo tanto R
= 600 x 0,49454 ≈ 300 Ω.
Según la ecuación de sumatoria de resistencias en paralelo, al aumentar un electrodo
(el segundo) obtendríamos aproximadamente 150 Ω al aumentar un tercero 100 y
para llegar a 5 Ω tendríamos que instalar 60 electrodos tal como se muestra en la Fig,
24.
6.2 El Aumento de la Longitud y el Diámetro de los Electrodos
La longitud de la penetración del electrodo esta en función a la resistividad y
profundidad de las capas del terreno, obviamente se prefiere colocar el electrodo
dentro de la capa de menor resistividad.
6021
1....1115
XXX+++
=Ω
En terrenos de baja resistividad superficial y alta resistividad de la capa inferior no
resulta conveniente trabajar con barras como electrodos.
Por otro lado debemos indicar, antes de proseguir con las demás variables que los
resultados están ligados íntimamente, a la resistividad del terreno donde se está
trabajando, teniendo valores variables entre 200 a 600 Ω-m en condiciones normales,
si aplicamos la fórmula de la Resistencia en suelos R =(ρ/2π l)*Ln 2l/r; en el mejor de
los casos conseguiremos una Resistencia de ≈ 0.5ρ con un electrodo de dimensiones
comunes y usuales; luego al aplicar la reducción recomendada se podría llegar a ≈ 0.1
ρ lo cual en la práctica nos resulta un valor de aproximadamente 20 Ω para el caso
más favorable; siendo este valor muy alto para Puestas a Tierra, usados en Sistemas
de Telefonía y Cómputo así como en aterramientos de Pararrayos convencionales y
del tipo PDC.
El aumento en el diámetro del electrodo tiene que ser mayúsculo para que su aporte
reduzca significativamente la resistencia, debido a que en la fórmula de la resistencia
el doble de la longitud se divide entre el radio y este resultado se ve afectado por el
logaritmo natural, por ejemplo usando el caso anterior, si el electrodo que utilizamos
fue de 5/8, para incrementar ostensiblemente la superficie de contacto, debemos
añadir helicoidales de cable desnudo 1/0 AWG, cuyo diámetro de espiras estará en
los 18 cm y la separación entre estas sea de 20 cm lograremos una reducción de 30%
de la resistencia, sin embargo, el diámetro del electrodo creció de 1,6 (5/8”φ ) a 18 cm
(+1,025%) lo que equivaldría a utilizar un electrodo de ± 7” (17,78 cm) φ.
Fig. 24
6.3 El Aumento de la Distancia entre Ejes de los Electrodos
Normalmente la distancia entre ejes de los electrodos debe ser como mínimo el
cuádruplo de la longitud de los electrodos; pero en los casos donde se requiera
obtener resistencias eléctricas muy bajas y exista disponibilidad de área de terreno, las
distancias entre ejes de los electrodos, deberán crecer al máximo; pues a mayor
distancia entre ejes de electrodos, mayor será la reducción de la resistencia a obtener;
y ello ocurre por el fenómeno de la resistencia mutua entre electrodos.
Incorrecto Correcto
Fig. 25
6.4 Cambio del TerrenoLos terrenos pueden ser cambiados en su totalidad, cuando ellos son rocosos,
pedregosos, calizas, granito, etc., que son terrenos de muy alta resistividad o pueden
cambiarse parcialmente cuando el terreno está conformado por componentes de alta y
baja resistividad; de modo que se supriman las partes de alta resistividad y se
reemplacen por otros de baja resistividad; uno de estos procedimientos es realizado
con el zarandeo del terreno donde se desechan las piedras contenidas en el terreno.
El cambio total o parcial del terreno deberá ser lo suficiente para que el electrodo
tenga un radio de buen terreno entre 30 a 50 cm en todo su contorno así como en su
fondo.
La resistencia crítica de un electrodo se encuentra en un radio contorno que va de 30
a 50 cm de este, por lo que se tendrá sumo cuidado con las dimensiones de los pozos
para los electrodos proyectados.
El porcentaje de reducción en este caso es difícil de deducir, debido a los factores que
intervienen, como son resistividad del terreno natural, resistividad del terreno de
reemplazo total ó parcial, adherencia por la compactación y limpieza del electrodo,
pero daremos una idea porcentual más menos en función al tipo de terreno y al
cambio total ó parcial.
Para lugares de alta resistividad donde se cambie el terreno de los pozos en forma
total, el porcentaje puede estar entre 50 a 70 % de reducción de la resistividad natural
del terreno.
Para terrenos de media resistividad donde se cambie el terreno de los pozos en forma
parcial ó total, el porcentaje de reducción puede estar como sigue:
Cambio parcial de 20 a 40 % de reducción de la resistividad natural del terreno.
Cambio total de 40 a 60 % de reducción de la resistividad natural del terreno.
Para terrenos de baja resistividad donde se cambiará el terreno de los pozos en forma
parcial, el porcentaje de reducción puede estar entre 20 a 40 % de la resistividad
natural del terreno.
La saturación en este caso se dará si cambiamos mayor volumen de tierra que laindicada, los resultados serán casi los mismos y el costo será mucho mayor, locual no se justifica.
Si se quiere obtener resultados bastante bajos de resistencia siempre será preferible el
cambio total del terreno y el debido cuidado en la compactación del terreno en la
construcción de los pozos porque el aire introducido en la tierra en el manipuleo,
presentará gran resistencia eléctrica si esta no es eliminada prontamente.
6.5 Construcción de Mallas
Cuando haya la necesidad perentoria de llegar a resistencias muy bajas de tierra 2, 1
Ω ó menos es imprescindible realizar, Estudios de Resistividad de Suelos que nos
informen exactamente el valor de la resistividad del terreno donde se instalará el
Sistema de Tierra.
Para diseñar con este valor un Sistema adecuado Técnica y Económicamente, donde
aparte de distanciar los electrodos, se usará contrapesos en zanjas con profundidad
variable, tratadas con tierra de baja resistividad y sales químicas con la finalidad de
aprovechar la mayor superficie de contacto y producir resistividades aparentes
artificiales bajas. Como contrapeso podrá usarse cables de Cu. de considerable
diámetro 50 / 70 mm2 o pletinas de Cu. según sea el resultado de los cálculos
efectuados por el método de Schawrtz u otro.
Fig. 26 Distintas configuraciones de mallas de puesta a tierra.
6.6 Tratamiento del Suelo.El tratamiento del suelo surge como una necesidad de mejorar y disminuir la
resistividad del terreno sin necesidad de utilizar una gran cantidad de electrodos.
Para elegir el tratamiento de un pozo de tierra se deben considerar los siguientes
factores:
- Alto % de reducción inicial
- Facilidad para su aplicación.
- Tiempo de vida útil (del tratamiento y del pozo)
- Facilidad en su reactivación.
- Estabilidad (mantener la resistencia durante años).
Las sustancias que se usan para un eficiente tratamiento deben tener las siguientes
características:
- Higroscopicidad.
- Alta capacidad de gelificación.
- No ser corrosivas.
- Alta conductividad eléctrica.
- Químicamente estable en el suelo.
- No ser tóxico.
- Inocuo para la naturaleza.
6.7 Tipos de Tratamiento
Existen diversos tipos de tratamiento para reducir la resistencia de un pozo a tierra:
- Cloruro de Sodio + Carbón vegetal
- Bentonita
- THOR-GEL
- Cemento conductivo
6.7.1 Características Principales de los Tratamientos
Ninguna Sal en estado seco es conductiva, para que los electrolitos de las sales
conduzcan corriente, se deben convertir en soluciones verdaderas o en seudo
soluciones por ejemplo: el cloruro de sodio (sal de cocina) en agua forma una solución
verdadera lo mismo que el azúcar, el mismo cloruro de sodio disuelto en benceno
formará una seudo solución o dispersión coloidal como también se le conoce.
6.7.2 Cloruro de Sodio + Carbón Vegetal.- El Cloruro de Sodio forma una solución
verdadera y se precipita fácilmente junto con el agua por efecto de la percolación,
capilaridad y evapotranspiración, otro inconveniente del tratamiento convencional con
sal y carbón es la elevada corrosión a la que se expone al electrodo, reduciendo
ostensiblemente su tiempo de vida útil. 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 Cu + solución cloruro de
sodio, en una celda electrolítica con desprendimiento de Cu y formación de hidróxido
de sodio en cuyo caso ya empieza la corrosión del cobre. El objetivo de la aplicación
del carbón vegetal molido (cisco de carbonería) es aprovechar la capacidad de este
para absorber la humedad del medio, (puesto que el carbón vegetal seco es aislante) y
retener junto a esta algunos de los electrolitos del cloruro de sodio que se percolan
constantemente.
6.7.3 Bentonita.- Las bentonitas constituyen un grupo de sustancias minerales
arcillosas que no tienen composición mineralógica definida y deben su nombre al
hecho de haberse descubierto el primer yacimiento cerca de Fort Benton, en los
estratos cretáceos de Wyoming en 1848. Aún cuando las distintas variedades de
bentonitas difieren mucho entre sí, en lo que respecta a sus propiedades respectivas,
es posible clasificarlas en dos grandes grupos:
- Bentonita Sódica.- En las que el ión sodio es permutable y cuya característica
más importante es una marcada tumefacción o hinchamiento que puede alcanzar
en algunas variedades hasta 15 veces su volumen y 5 veces su peso.
- Bentonita Cálcica.- En las que el ión calcio es permutable, tiene menor capacidad
para absorber agua y por consiguiente solo se hinchan en la misma proporción que
las demás arcillas.
Las bentonitas molidas retienen las moléculas del agua, pero la pierden con mayor
velocidad con la que la absorben debido a la sinéresis provocada por un exiguo
aumento en la temperatura ambiente, al perder el agua pierden conductividad y restan
toda compactación lo que deriva en la pérdida de contacto entre el electrodo y el
medio, elevándose la resistencia del pozo ostensiblemente, una vez que la Bentonita
se ha secado, su capacidad de absorber nuevamente agua es casi nula.
6.7.4 THOR-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 tiene naturaleza coloidal, formando un malla tridimensional micelar,
los componentes a los cuales les falte o sobre iones permitirán el transito de
corrientes; convirtiéndose en un excelente conductor eléctrico.
Tiene una gran atracción por el agua, de modo que puede aprisionarla manteniendo
un equilibrio con el agua superficial que la rodea; esto lo convierte en una especie de
reservorio acuífero. Rellena los espacios intersticiales dentro del pozo (poros),
constituyendo una excelente conexión eléctrica entre el terreno de baja resistividad
(reemplazado) y el electrodo, asegurando una conductividad permanente.
Método de aplicación del THOR-GEL. - El tratamiento consiste en incorporar al pozo
los electrolitos que aglutinados bajo la forma de un Gel mejore la conductividad de la
tierra y retenga la humedad en el pozo por un periodo prolongado de manera que se
garantice una efectiva reducción de la resistencia eléctrica y una estabilidad que no se
vea afectada por las variaciones del clima. La cantidad de dosis por metro cúbico de
tierra del pozo, varía de 1 a 3, y está en función a la resistividad natural del terreno.
6.7.5 Cemento conductivo.-
Los cementos conductivos se basan en tierras o piedras especiales como son el
grafito, a los cuales se les añade cierta cantidad de cemento para que el resultado sea
una masa o solido tipo concreto, que toma el lugar del electrodo metálico en el sistema
de puesta a tierra.
Las propiedades del grafito son conocidas en la construcción de las escobillas de los
motores, aprovechando su alta conductividad
V ESQUEMAS DE CONEXIÓN A TIERRA (ECT) DEFINIDOS POR LA NORMAIEC 60364
No hay ECT mejor o peor; todos consiguen la seguridad de las personas, pero cada
uno tiene sus ventajas e inconvenientes y es la necesidad la que debe de guiar la
elección, a parte de lo que exijan o prohíban las distintas normas o leyes vigentes.
1 Evolución de las necesidades
Actualmente, tal como se definen en la Norma IEC 60364, y en el Anexo A3 del
Código Eléctrico Nacional Utilización 1/07/2006, los esquemas de conexión a tierra
(ECT), que durante mucho tiempo se han llamado «regímenes de neutro», son tres:
el neutro puesto a tierra y las masas conectadas al neutro (sistema TN),
el neutro puesto a tierra y las masas independientes (sistema TT),
el neutro aislado de tierra (o impedante) (sistema IT).
Estos tres esquemas tienen una misma finalidad en cuanto a la protección de
personas y bienes; el control de los efectos de un defecto de aislamiento y se los
considera equivalentes en cuanto a la seguridad de personas frente a contactos
indirectos.
Pero no es así para la seguridad de la instalación eléctrica de baja tensión (BT) en lo
que se refiere a:
• la disponibilidad de la energía,
• el mantenimiento de la instalación.
Estas cualidades, cuantificables, son objeto de exigencias cada vez mayores en las
fábricas y en los edificios del sector de servicios.
Por otra parte, los sistemas de control o mando de edificios y la distribución de la
energía eléctrica juegan un papel cada vez más importante a nivel de gestión y de
seguridad.
Esta evolución de las necesidades de seguridad no es independiente de la elección de
un ECT. Hay que recordar que la continuidad del servicio es un factor primordial al
producirse una emergencia relacionada con los ECT. Piénsese, por ejemplo, en una
red de distribución pública sin averías que se desconecta sólo a los abonados con un
defecto de aislamiento.
2 Causas de los defectos de aislamiento
Para asegurar la protección de las personas y la continuidad del servicio, los
conductores y las masas con tensión de una instalación eléctrica están «aislados»
respecto a las masas conectadas a tierra.
• la utilización de materiales aislantes,
• con una separación adecuada;
por una parte, se necesitan determinadas distancias de aislamiento en el seno de un
gas (por ejemplo, en el aire) y por otra, hay que tener presente el recorrido de las
líneas de fuga en los aparatos eléctricos (por ejemplo el camino de contorneo en un
aislador).
Un aislamiento se caracteriza por las tensiones específicas que, conforme a las
normas, se aplican a los productos y equipos nuevos:
• tensión de aislamiento Ui
• tensión de resistencia a la descarga del rayo (onda 1,2; 50 ms);
• tensión de resistencia a la frecuencia industrial (2 Ue + 1000 V/1 min).
Ejemplo para un tablero habitual de BT normalizado:
• tensión de aislamiento: Ui= 1000 V,
• tensión de descarga de rayo: 12 kV.
Al conectar a la red una instalación nueva, hecha según las exigencias reglamentarias
y con productos fabricados de acuerdo con las normas, el riesgo de defectos de
aislamiento es muy bajo; pero al envejecer la instalación, este riesgo aumenta. En
efecto, la instalación sufre diversas agresiones que originan fallas de aislamiento;
citemos, a título de ejemplo:
durante la instalación:
- el deterioro mecánico de los aislantes de los cables;
durante la utilización:
- el polvo, más o menos conductor,
- el envejecimiento térmico de los aislantes, debido a una temperatura de servicio
excesiva, que puede estar causada por: el clima, temperatura ambiente, altura sobre
el nivel del mar, un número excesivo de cables en las canalizaciones, armarios mal
ventilados, armónicos, sobreintensidades, etc.
- los esfuerzos electrodinámicos desarrollados durante un cortocircuito que pueden
dañar un cable o disminuir la distancia de aislamiento,
- las sobretensiones de maniobra o de rayo,
– las sobretensiones de retorno a 60 Hz como resultado de un defecto de
aislamiento en MT.
Normalmente es una combinación de estas causas primarias lo que lleva a un defecto
de aislamiento, que puede ser:
• de modo diferencial (entre conductores activos), lo que se convierte en un
cortocircuito,
• de modo común (entre conductores activos y masa o tierra) circulando entonces por
el conductor de protección (PE) y/o por tierra una corriente de defecto, llamada de
modo común u homopolar.
Los ECT en BT resultan especialmente afectados por los defectos en modo común,
que normalmente se producen a nivel de los equipos utilizadores de energía y los
cables.
3 Riesgos debidos a un defecto de aislamiento.
Un defecto de aislamiento, sea cual sea su causa, presenta riesgos para:
• la vida de las personas,
• la conservación de los bienes,
• la disponibilidad de la energía eléctrica, lo que a su vez redunda en perjuicio de la
seguridad.
3.1 Riesgos de electrocución de las personas
Una persona (o un animal) sometida a una tensión eléctrica se electriza. Según la
importancia de la electrocución, esta persona puede sufrir:
una molestia o dolor,
una contractura muscular,
una quemadura,
una parada cardíaca (es decir, una electrocución) (Fig.27)
Proteger a una persona de los efectos peligrosos de la corriente eléctrica es prioritario:
el riesgo de electrocución es, por tanto, el primero a tener en cuenta.
Lo realmente peligroso -por su valor o por su duración- es la intensidad de corriente
que atraviesa el cuerpo humano (especialmente el corazón).
En BT el valor de la impedancia del cuerpo, (en la que un componente importante es la
resistencia de la piel) no cambia en la práctica más que en función del entorno (locales
secos y húmedos, por una parte, y locales mojados, por otra). Para cada uno de estos
casos, se ha definido una tensión de seguridad (tensión de contacto máxima admisible
durante al menos 5 segundos); en la norma CEI 60479, se llama tensión límite
convencional UL.
Las normas CEI 60364, la UNE 20 460 y la NF C 15-100 precisan que, si la tensión de
contacto (UC) tiene el riesgo de sobrepasar la tensión UL, la duración de la aplicación
de la tensión de defecto debe de limitarse mediante la actuación de dispositivos de
protección. (Fig. 28).
Fig. 27: Zonas tiempo/corriente de los efectos de la ca (de 15 Hz a 100 Hz)
sobre las personas según CEI 60479-1.
a b
Fig. 28 Contacto directo e indirecto
Fig. 29: Duración máxima de mantenimiento de la tensión de contacto según la norma
CEI 60 364.
Contactos directos e indirectosAl estudiar los ECT, es útil recordar la electrocución por contactos directos e
indirectos.
Contacto directo y medidas de protecciónSe trata del contacto accidental de personas con un conductor activo (fase o neutro) o
con una pieza conductora que habitualmente está con tensión (Fig. 28 a).
El riesgo es muy importante, la solución consiste en distribuir la energía eléctrica a una
tensión no peligrosa, es decir, a una tensión menor o igual que la de seguridad. Es el
empleo de la muy baja tensión de seguridad (muy baja tensión de seguridad y muy
baja tensión de protección).
En BT (230/400 V), las medidas de protección consisten en poner las partes activas
fuera del alcance o aislarlas con la utilización de aislantes, o barreras.
Una medida complementaria contra los contactos directos consiste en utilizar los
Dispositivos Diferenciales (DD) de alta sensibilidad ( 30 mA).
La forma de tratar los contactos directos es totalmente independiente del ECT, pero
esta medida (la utilización de DD) es necesaria en todos los casos de alimentación de
circuitos cuyo ECT no se puede prever o controlar; segun la norma NF C 15-100 y se
convierten en obligatoria esta medida, a nivel de:
- las tomas de corriente de 32 A,
- en ciertos tipos de instalaciones (temporales, en canteras...).
Contactos indirectos, medidas de protección y de prevenciónEl contacto de una persona con masas metálicas accidentalmente puestas bajo
tensión se denomina contacto indirecto (Fig. 28 b),
Esta conexión accidental a la tensión es el resultado de un defecto de aislamiento.
Circula entonces una corriente de defecto y provoca una elevación de la tensión entre
la masa del receptor eléctrico y tierra; aparece por tanto una tensión de defecto que es
peligrosa si es superior a la tensión UL.
Frente a este riesgo, las normas de instalación -CEI 60364 a nivel internacional, UNE
20 460 en España, y NF C 15-100 en Francia (estas normas son similares en el fondo
y en la forma)– han oficializado tres esquemas de conexión a tierra –ECT– y han
definido las reglas de instalación y de protección correspondientes.
Las medidas de protección contra contactos indirectos se apoyan en tres principios
fundamentales:
la conexión a tierra de las masas de los receptores y equipos eléctricos,para evitar que un defecto de aislamiento se convierta en el equivalente a un
contacto directo;
la equipotencialidad de masas accesibles simultáneamente: lainterconexión de estas masas contribuye eficazmente a reducir la tensión de
contacto. Esto se hace mediante el conductor de protección (CP) que
interconecta las masas de los materiales eléctricos para el conjunto de un
edificio, eventualmente completada con conexiones equipotenciales
adicionales (Figs. 30, 31 y 32).
la gestión del riesgo eléctrico:
- esta gestión se optimiza con la prevención.Por ejemplo, al medir el aislamiento de un equipo antes de su conexión, o por la
predicción del defecto basada en el seguimiento de la evolución, con tensión, del
aislamiento de una instalación alimentada y aislada de tierra (IT),
– si se produce un defecto de aislamiento y éste genera una tensión de defecto
peligrosa, hay que eliminarlo desconectando automáticamente la parte de la
instalación donde se produce el defecto. La forma de suprimir el riesgo depende
entonces del ECT.
Fig.30 sistemas con puesta a tierra dedicadas e interconectadas
Fig. 31 Una sola puesta a tierra para todas las necesidades (prohibido)
Fig. 32 Puestas a tierra separadas o independientes (prohibido)3.2 Riesgo de incendioSe ha demostrado, y después se ha incluido en las normas, que en locales
especialmente
sensibles, cuando la corriente de defecto sobrepasa los 500 mA, un contacto puntual
entre un conductor y una pieza metálica puede provocar un incendio .
A título de ejemplo:
locales con riesgo importante: factorías petroquímicas, granjas,
locales con riesgo menor, pero donde las consecuencias pueden ser muy
graves:
edificios de gran altura con afluencia de público...
Con el neutro aislado, el riesgo de «incendio»:
es muy pequeño para el primer defecto,
es tan importante como en TN para el segundo defecto.
Para los ECT TT y, sobre todo TN, la corriente de defecto es peligrosa, vista la
potencia
desarrollada (P = Rd . I2):
en TT: 5 A < Id < 50 A;
en TN: 1 kA < Id < 100 kA.
La potencia puesta en juego en el punto del defecto, sobre todo en el esquema TN, es
considerable y hay que conseguir limitar la energía disipada (Rd.i2.dt) actuando con
la máxima velocidad y los mínimos valores posibles de corriente.
Esta protección, prescrita por la CEI y exigida por las normas francesas (NF C 15-
100), se realiza por medio de DD instantáneos con un ajuste 500 mA, sea cual sea el
ECT.
Cuando los riesgos de incendio son particularmente importantes (fabricación y
almacenamiento de materias inflamables, ...), es necesario y hasta obligatorio, utilizar
un ECT con las masas a tierra, minimizando naturalmente este riesgo (TT o IT).
El TN-C está prohibido en Francia por la NF C 15-100 cuando hay riesgo de incendio
(condición BE2) y/o de explosión (condición BE3): si el conductor CP y el neutro son el
mismo conductor, no se puede instalar un DD
Este riesgo, cuando se materializa, puede tener consecuencias dramáticas para las
personas y para los bienes. Un gran número de incendios tienen su origen en un
calentamiento importante y puntual o en un arco eléctrico provocado por un defecto de
aislamiento.
El riesgo es todavía más importante si la corriente de defecto es elevada.
Es también función del grado de riesgo, de incendio o de explosión, de los locales.
3.3 Riesgo de no disponibilidad de la energía.
El control de este riesgo tiene cada vez más importancia. En efecto, si para eliminar un
defecto se desconecta automáticamente la parte afectada, se tiene como resultado:
• un riesgo para las personas, por ejemplo:
- falta súbita de la iluminación,
- desconexión de equipos útiles para la seguridad;
• un riesgo económico por la falta de producción; este riesgo debe de ser
especialmente controlado en las industrias de procesos, en las que una reanudación
del servicio puede ser larga y costosa.
Además, si la corriente de defecto es elevada:
• los daños en la instalación o en los equipos utilizadores pueden ser importantes y
aumentar los costos y los tiempos de reparación,
• la circulación de elevadas intensidades de defecto en modo común (entre red y tierra)
puede también producir perturbaciones en el funcionamiento de equipos sensibles,
sobre todo si éstos forman parte de una red de datos o señales de baja potencia,
extensamente distribuida y con conexiones galvánicas.
Por último, al conectar la tensión, la aparición de sobretensiones y/o de fenómenos de
radiación electromagnética CEM puede producir fallas, disfunciones y hasta el
deterioro de equipos sensibles.
VI FENÓMENOS ELÉCTRICOS TRANSITORIOS
En general llamamos fenómenos eléctricos transitorios FETs. a todo disturbio
(sobretensión, pico, caída de tensión, cambio de frecuencia, inversión de fase,
armónicos, etc.) en las instalaciones de un sistema eléctrico que por el origen
podemos clasificarlo como:
1 SOBRETENSIONES DE ORIGEN EXTERNO
Estas son de origen atmosférico y comúnmente toman la forma de un gran impulso, la
amplitud máxima que puede presentar no tiene relación con la tensión de operación
del sistema.
Estas sobretensiones se pueden deber a las siguientes causas:
a) Descarga directas del rayo.
b) Tensiones inducidas causadas por una descarga a tierra en un lugar
cercano a la línea.
c) Tensiones inducidas debido a variaciones atmosféricas a lo largo de las
líneas de transmisión.
d) Sobretensiones electrostáticas inducidas causadas por nubes cargadas.
e) Sobretensiones electrostáticas inducidas, causadas por el efecto de la
fricción de pequeñas partículas como el polvo en la atmósfera.
f) Estática.
g) Electromagnetismo.
2 SOBRETENSIONES DE ORIGEN INTERNO
Estas son de origen interno o industrial producido por el hombre y se pueden dividir en
dos clases:
2.1 Sobretensiones Internas de alta frecuencia.
Estas sobretensiones se deben a fenómenos transitorios que aparecen cuando el
estado de una red se cambia por operaciones de maniobra (switcheo) o por una
cantidad de falla. La tensión resultante que toma la forma de una senoide
amortiguada, tiene una frecuencia del orden de 20 Khz. y de hecho está gobernada
por la inductancia y capacitancia inherente al circuito.
2.2 Sobretensiones internas de baja frecuencia.
Estas ocurren a la frecuencia nominal del sistema e incluyen la tensión en estado
permanente que puede resultar, con pequeñas variaciones por la:
• Desconexión de una carga importante, particularmente se presenta en el
caso de las líneas de transmisión largas.
• Sobretensiones por maniobras por arranque o desconexión de cargas
importantes
• Sobretensiones por fallas a tierra
• Sobretensiones por desbalance de cargas
• Armónicos
Los FETs de origen interno en B. T. En nuestro trabajo diario los conocemos mas
como picos, sag, surge, flickers, armónicos, notching, ruido etc. Que podremos
graficarlas y ver con los instrumento que actualmente se proveen, se muestra algunas
gráficas.
Fig. 33 Distorsión por armónicos
3 Sobretensiones de Origen Atmosférico: El RayoEs el principal y más peligroso de los FETs causa disturbios impredecibles en sistemas
eléctricos por la magnitud de las cargas que acumula.
3.1 Fenomenología de las CargasAparecen normalmente en nubes cumuliformes de gran desarrollo vertical 19 Km y
una extensión de 24 Km. En este tipo de nubes el agua solidificada (hielo) es
arrastrada por corrientes verticales, muy fuertes en las nubes de tormenta. Estos
movimientos causan fricciones, choques y fragmentaciones de las partículas de hielo
(Hidrometeoros); así se crea el campo eléctrico en la nube (cargas positivas en la cima
y la base de la nube, negativas en su centro).
Fig. 34 Notching
Cuando en algunas partes de la nube se alcanzan valores de ruptura del potencial
eléctrico se producen descargas eléctricas dentro de la misma nube o entre la nube y
el suelo, en millonésimas de segundo. La descarga eleva la temperatura del aire del
canal ionizado a mas de 25 000 grados centígrados.
El aire caliente se expande explosivamente, produciendo la onda de choque que
percibimos como un estallido: el trueno.
Cada rayo consta de varias descargas intermitentes. El proceso se inicia en la parte
baja de la nube, entre la región de carga positiva y la de negativa, mediante una
descarga invisible denominada descarga guía o líder, que consta de varias etapas,
cada una de alrededor de 1 microsegundo, con interrupciones de unos 50
microsegundos. En cada etapa, la descarga, consistente en una avalancha de
electrones libres que ionizan el aire por colisión, avanza unos 50 metros en dirección
al suelo, esta descarga guía es ramificada, y a medida que se acerca al suelo, éste
aumenta su carga positiva por inducción, de manera que cuando faltan menos de 100m para el suelo, parte a su encuentro desde el suelo, y por los objetos más
puntiagudos o conductivos una corriente positiva.
Tras este primer contacto, fluye hacia el suelo un gran número de electrones, y se
observa un destello luminoso que se propaga de abajo hacia arriba por el camino
marcado por la descarga guía, denominado descarga de retorno. Debido a la gran
rapidez del destello ascendente la totalidad del canal ramificado parece brillar
simultáneamente.
Figura 35
Los rayos pueden producirse del suelo a la nube, de la nube al suelo, entre dos nubes
o dentro de una misma nube, sin tocar el suelo. Un rayo dentro de la nube parece
como si la nube se iluminara en su interior. Las protuberancias verticales del terreno,
como árboles solitarios, antenas, montañas, campanarios, acortan el camino de la
descarga. En áreas sin relieve predominante o relieve uniforme, la descarga puede
ocurrir en cualquier lado, favoreciendo los puntos que destaquen por su altura o
conductividad.
3.2 Parámetros del rayo.-
Intensidad de pico = Ipico = 100 kA
Gradiente máximo de subida = (di/dt)max=100 KA/m s
Energía útil = d i2(t) dt = 5KA2s
Fig. 36
Podemos concluir diciendo que mayores serán las oportunidades de un punto terrestre
para provocar la descarga eléctrica, cuanto más temprano pueda generar un flujo
iónico ascendente. La tensión que puede alcanzar una descarga varia con la corriente
que esta posea y por la resistencia eléctrica del punto donde debe derivarse o sea la
resistencia eléctrica del sistema de tierra según los valores indicados en la tabla
siguiente:
Distancia (metros) Diferencia de potencial (Voltios)
10 796 x 103
50 53.1 x103
100 10.5 x103
200 3.8 x103
400 970700 320
1000 1582000 405000 6
10000 2
Fig. 37
De modo general, sabemos que las descargas de baja intensidad de la corriente piloto
siguen un curso errático y sólo alcanzan las estructuras en punta cuando éstas
completan el flujo de conexión, aunque este proceso es frecuentemente dificultado por
el aire, que deforma y estrangula el canal de ruptura recién formado, en consecuencia
el proceso se puede repetir varias veces y por consiguiente el riesgo se acrecienta.
Al producirse el flujo de conexión del canal de ruptura, empieza la tercera fase o
descarga principal, donde una fuerte descarga salta desde la tierra hacia la nube con
una velocidad de orden de 2,000 Km./s iluminando todas las ramificaciones formadas
por la corriente piloto de arriba hacia abajo, dando al observador la impresión que el
rayo baja de la nube a la tierra.
Parámetro Medio Extremo
Corriente de pico (KA) 0 a 25 230
Gradiente de corriente (KA/m s) 8 50
Duración del rayo (seg.) 0.1 a 0.3 1.5
Duración de cada descarga (ms) 0.5 a 3 400
Intervalo de tiempo entre impulsos (ms) 30 a 40 500
Tiempo hasta el valor de pico (m s) 1 a 4 10
Numero de descargas en un rayo 2 a 4 34
Fig. 38
La potencia de una descarga de rayo puede estar en el orden de 1010 KW y puede
causar daños considerables, se induce en líneas en forma de ondas viajeras si es que
no cae directamente en las mismas o en infraestructura.
Si la descarga tiene lugar directamente entre la nube y los conductores de las líneas,
entonces la potencia que se debe disipar en un tiempo muy corto dentro del cual la
descarga ocurre, puede ser del orden 1010 KW y casi siempre puede causar daños
considerables.
Sin embargo, la mayoría de las descargas tiene lugar en puntos adyacentes a las
líneas o infraestructura, teniendo como resultado que se inducen tensiones en las
líneas en forma de ondas viajeras. Estas ondas se pueden producir también por un
proceso de inducción en el cual una carga se induce sobre la línea por la presencia en
la vecindad de nubes cargadas. Si la carga en la nube se mueve por una descarga, la
carga en la línea puede liberarse y resulta también una onda viajera.
En cualquiera de los casos anteriores, la onda se puede expresar comúnmente como
la diferencia de dos exponenciales.
a = E(e-at - e-bt)
Donde a y b son constantes que determinan la forma.
Figura 39
Una onda de este tipo se emplea propósito de prueba cuando es necesario investigar
el comportamiento de partes de una instalación o equipo bajo estas condiciones,
denominándose pruebas de impulso tf se denomina tiempo de frente y de tiempo de
cola; la onda que se escoge para prueba es de 1,2 micro segundos de tiempo de
frente y 50 micro segundos de tiempo de cola, denominándose de 1,2/50 micro
segundos.
4 Sobretensiones Internas de Alta Frecuencia.
Estas son producidas por operaciones de maniobra en la red, como se sabe cuando
los contactos de interruptor abren, la extinción final de la corriente viene seguida por la
aparición de una tensión entre los contactos.
La característica de esta tensión es una gran amplitud que puede alcanzar hasta dos
veces la tensión del sistema y frecuencia relativamente alta. Esta tensión se incluye de
hecho al circuito en las terminales del interruptor y viaja a través de la línea en ambas
direcciones con la posibilidad de que se doble su valor si se tienen circuitos abiertos.
En la práctica la resistencia y el efecto corona, reducen rápidamente la magnitud de
las ondas viajeras en las líneas, pero el efecto sobre el aislamiento en los puntos
cercanos de interruptor es de importancia, como también es la posibilidad de
reencebados de arco entre los contactos.
5 SOBRETENSIONES INTERNAS EN B. T.
En procesos industriales a los ya mencionados también se debe tener en cuenta los
fenómenos originados por conmutación eléctrica; así como, por maniobras operativas
de reposición abrupta del suministro eléctrico y por contactos accidentales; las causas
mas frecuentes de los FETs. son:
A. Arranque y parada de motores eléctricos.
B. Encendido de luces de neón o sodio.
C. Conexión y desconexión en unidades de conmutación eléctrica.
D. Contactos de interruptores en circuitos inductivos.
E. Operación de relés de apertura.
F. Contactos falsos y/o accidentales.
G. Circuitos eléctricos intermitentes.
Estos fenómenos generan sobretensiones transitorias de varios KV en un tiempo de
microsegundos, poniendo en peligro equipos eléctricos y/o electrónicos conectados a
las redes.
6 Descargas electrostáticas: (estática de un ser humano)
Las descargas electrostáticas pueden generarse en una persona, ya que un ser
humano actúa como un capacitor, de 100 a 300 pico Faradios (pF); debido a la
fricción una persona puede acumular hasta 15 kV y descargar en pocos
nanosegundos una corriente de 10 Amp.
EFECTOS GENERADOS POR RAYOS SEGÚNESTADISTICAS U.S.A.
• Los picos de voltajes son del orden de 6 000 V.
• Los picos de corrientes de 2 000 a 400 000 A.
• El tiempo de elevación hasta 99% es de 300 nanoseg a 10
micro segundos.
• La energía potencial al 99% es de 5 000 Joules.
• La tasa de descarga de 2 a 200 Coulombs
VII EJEMPLO PRACTICO DE DISEÑO DE PUESTA A TIERRA
Sistema de Puesta a Tierra de Pararrayos para Torres Deethanizadoras.
Para diseñar adecuadamente el Sistema de Puesta a Tierra de los pararrayos de lastorres Deethanizadoras se ha realizado las mediciones de Resistividad de Suelos bajoel método de Wenner, según lo indica el IEEE Std. 81 según el gráfico adjunto
Fig.40
Con los siguientes resultados, Localización A
Distancia “a” en m Dirección N-S Dirección E-O Observaciones1 295 2992 270 267.83 230 223.74 196 198.1
Localización BDistancia “a” en m Dirección N-S Dirección E-O Observaciones
1 305 2932 275 2603 245 2384 201 199
De estas mediciones tomamos el primer valor que luego promediamos en 298 300ohm-m; con dicho valor hacemos nuestro diseño de la malla de Sistema de PuestaTierra.
De acuerdo con los cálculos realizados usando como tratamiento de tierra el cementoconductivo SAN EARTH, obtenemos lo siguiente:
Perimeter Electrode
Fig. 41
Soil Resistivity in Ohm-Meters RHO = 300 ohm-meters
Electrode LengthL = ft 190 m
Electrode WidthW = ft 0.4 m
Electrode DepthD = ft 0.7 m
Resistance in Ohms R = ohms 3.505 ohms
Fig. 42 Donde hemos aplicado la formula:
D
L4
L4
W
Fig. 43
Por lo que para la puesta a tierra de los referidos pararrayos proponemos el siguientediseño:
Una gran malla de 10 x 30 m con cable de cobre de 120 mm con cuadriculas de 5 men cada lado
30 m
Fig. 44
Malla que debe conectarse a los pararrayos con cable enterrado en zanja tratada concemento conductivo de igual forma que la malla principal
El resultado de 3.505 Ohm esperado con esta malla satisface largamente lo que pidela Norma NFC 17 102 que rige para este tipo de pararrayos PDC que es de 10 Ohm.
El tratamiento será con cemento conductivo libre de mantenimiento según el siguientegráfico donde la profundidad del cable es de 0.60 m .
5 m5 m
Fig. 45
VIII ANEXOS
1. A continuación presentamos un extracto de la norma UNE 21186correspondiente a la norma francesa NFC 17 102
2 Aplicación del cemento conductivo
3 NORMA UNE 21186: 1996ANEXO A (Normativo)
MODELO DE PROTECCIÓN
A.1 Descripción de la fase de aproximación
A.1.1 Determinación del punto de impacto
La formación o llegada de una nube de tormenta provoca la creación de un campoeléctrico (ambiente) entre la nube y el suelo Este campo eléctrico puede superar en elsuelo los 5 kV/m, iniciando así la creación de descargas corona a partir de lasirregularidades de suelo o de las masas metálicas
El rayo comienza por la formación en el seno de la nube tormentosa de un trazadordescendente que se propaga a impulsos hacia el suelo. El trazador descendentetransporta cargas eléctricas, provocando el incremento del campo en el suelo.
Un trazador ascendente se desarrolla a partir de una estructura o de un objeto sobre elsuelo. Se propaga hasta que encuentra el trazador descendente y la corriente del rayofluye por el canal así creado. Otros trazadores ascendentes pueden ser emitidosdesde diferentes estructuras sobre el suelo El primero entre ellos que encuentra eltrazador descendente determina el punto de impacto de la descarga (figura A.1)
NOTA Esta descripción es válida sólo en el caso de rayo descendente negativo, únicocaso en que se aplica el modelo electromagnético. Este tipo de rayo es condiferencia él más frecuente.
A.1.2 Velocidad de propagación de los trazadores
Recientes experimentos realizados, provenientes de la naturaleza, muestran que las
velocidades medias de los trazadores ascendente y descendente son comparablesdurante la fase de aproximación. La relación de las velocidades Va/Vd es aproximadamente 1 (entre 0.9 y 1.1).
Supondremos aquí que v = va = vd = 1 m/s (valor medio de las velocidades de lostrazadores)
donde
Va es la velocidad del trazador ascendente;
vd es la velocidad del trazador descendente;
v es la velocidad común.
A.2 Ventaja en la protección con un PDC
A.2.1 Avance en el cebado
Un PDC está diseñado para reducir el tiempo medio estadístico asociado al cebadodel trazador ascendente. Un PDC presenta una ganancia en el instante de cebadorespecto a un PR emplazado en las mismas condiciones Esta ganancia se evalúa enlaboratorios de alta tensión siguiendo las recomendaciones del apartado 2.2.2.l y delanexo C de esta norma.
4.2.2 Ganancia en longitud del tratador ascendente
La ganancia en longitud del trazador ascendente L viene definida por
L (m) = v (m/s) . A (s)
La zona protegida se determina a partir del modelo de protección descrito acontinuación, sobre las bases del modelo electrogeométrico
A.3 Modelo de protección
A.3.1 Radio de protección de un PR
En el caso de un PR, según el modelo electrogeométrico, el punto de impacto de ladescarga viene determinado por el objeto sobre el suelo que primero se encuentre a ladistancia D del trazador descendente, incluso si este objeto es el propio suelo llano. Ladistancia D que determina el punto de encuentro de los trazadores descendente yascendente se denomina “distancia de cebado”: es también la longitud de desarrollodel trazador ascendente.
Por tanto, todo sucede como si el extremo del trazador descendente estuvieserodeado de una esfera ficticia, de radio D, centrada sobre el extremo, y como si esta
esfera acompañase rígidamente el extremo del trazador descendente
En el caso de un PR de altura “h” con respecto a la superficie de referencia (techo deledificio, suelo...) existen tres posibilidades (véase figura A.2):
- si la esfera entra en contacto únicamente con la punta vertical (A'), éstaconstituirá el punto de impacto de la descarga;
- si la esfera entra en contacto con la superficie de referencia sin tocar la punta,el rayo tocará únicamente el suelo en S;
- si la esfera entra en contacto con el PR y la superficie de referenciasimultáneamente, hay dos puntos de impacto posibles: A' v C', pero el impactojamás podrá producirse dentro de la zona sombreada (véase figura A,3).
La distancia de cebado D viene generalmente dada por la siguiente ecuación:D (m) = 10 x I 2/3
donde
I es el pico de corriente del primer arco de retorno en kiloamperiosA.3.2 Radio de protección de un PDC
En el caso de un PDC, existe una ganancia en el instante de cebado t, con L = v .At, y los puntos de impacto
posibles son A y C (figura A.4) con un radio de protección Rp tal que:
Rp = 2Dh-h2+L(2D+L), para h> 5 m
donde
D es la distancia de cebado;
L es la ganancia en longitud del trazador ascendente definido por L = v . t
h es la altura de la punta del PDC por encima de la superficie a proteger;
Rp es el radio de protección del PDCt es la ganancia en el instante de cebado del trazador ascendente continuo
4 NORMA UNE 21186: 1996
ANEXO D (Informativo)
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL RAYO Y SUS EFECTOS
D.1 Parámetros característicos del rayo
D.1.1 Formas de las componentes impulsionales (descargas) de un rayo
La figura D1 presenta algunas formas de onda de corriente de rayo Estas corrienteshan sido registradas en la estación de estudio de tormentas del monte San Salvatore,en Suiza. Las tablas D.1 a D.13 presentan la distribución de las frecuenciasacumuladas de las características del rayo.
D.1.2 Distribución de los diferentes parámetros del rayo
Los parámetros utilizados para describir el impulso del rayo (o los impulsos en el casode impactos de descarga negativa múltiple) son numerosos. Se pueden citar enpanicular: amplitud de la corriente, tiempo de subida, tiempo de cola, carga y energíaespecífica.
Estos parámetros hacen referencia a las formas de los impactos de rayo reales alcomo han sido medidos para establecer las estadísticas de distribución. Se puede, enuna primera aproximación considerar que la amplitud, el tiempo de cola y el tiempo desubida están definidos como en el laboratorio. La carga, como tal, corresponde a idty la energía específica a i2dt La utilidad de estos parámetros será estudiada más
adelante.
La brusquedad de la subida (la pendiente máxima de la corriente expresada en kA/ s) es también algunas veces: un dato interesante para caracterizar un impulso aunquea ella están ligados otros parámetros ya definidos: tiempo de subida y amplitud.
El impacto de rayo completo, que comprende el/los impulso(s) y la corriente remanenteque circula entre dos impulsos, viene caracterizado esencialmente por su duracióntotalD.2 Efectos de los parámetros de la descarga
Los diferentes parámetros citados anteriormente no conducen a los mismos efectos ni,en general, a los mismos fallos de los diferentes materiales
La amplitud de corriente se utiliza para tratar los problemas de sobretensiones y losproblemas de choques mecánicos generados por los impactos del rayo.
El tiempo de subida solamente se considera al tratar el problema de lassobretensiones
El tiempo de cola está ligado a los efectos mecánicos y se emplea, por tanto, paradeterminar el tiempo de aplicación de la fuerza electromagnética. Este tiempo de Colaes principalmente representativo de la energía de un rayo conjuntamente con laamplitud. Para representar esta energía, el binomio amplitud/tiempo de cola se puedereemplazar por:
- La energía específica i2dt (amplitud y tiempo de cola), para el dimensionamientode los componentes de la instalación del pararrayos (conectores, conductores
- La carga idt (amplitud y tiempo de cola), para caracterizar los protectores contrasobretensiones ligados a los sistemas de protección <PDC + tomas de tierra) o lafusión de un metal en el punto de impacto del rayo
D.2.1 Efectos térmicos ligados a la cantidad de carga Q
En las instalaciones de protección contra el rayo, estos efectos se observanprincipalmente sobre los puntos agudos, donde se puede llegar a producir la fusión dealgunos milímetros del material en el extremo. Aún tratándose de superficies planas(chapas), se constatan trazos de fusión que pueden llegar a abrir una brechacompleta.
Un impacto de rayo excepcional (300 ºC) es capaz de perforar chapas de basta 2 mma 3 mm de espesor.
Por este motivo, para que una pared metálica se utilice o pueda formar parte del SPCRdeberá tener un espesor mínimo que varía según el tipo de metal (por ejemplo, 4 mmpara el hierro, 5 mm para el cobre)
Las descargas de poca intensidad pero de larga duración provocan fácilmente laaparición de fuego. Como generalmente las descargas impulsionales del rayo vienen
acompañadas de una corriente remanente, rara vez los impactos de rayo tienen unatemperatura baja la madera seca puede incluso incendiarse con este tipo dedescargas con largas corrientes persistentes.
Los malos contactos son puntos particularmente peligrosos en la trayectoria de lacorriente del rayo Las resistencias de contacto de algunas milésimas de ohmioprovocan un desprendimiento de calor lo suficientemente grande como para que sepuedan derretir cantidades de metal apreciables y saltar como chispas. Si un materialfácilmente inflamable se encuentra próximo a uno de estos puntos de contactodefectuosos, se pueden producir fuegos indirectamente. Este tipo de chispas esespecialmente peligroso en establecimientos expuestos a explosiones y en fábricas deexplosivos.
D.2.2 Efectos térmicos ligados a la integral de corriente i2dt
Cuando la corriente del rayo se propaga en un conductor metálico, se desprende calorsegún la ley de Joule, donde interviene el cuadrado de la intensidad i el tiempo t depaso de corriente y la resistencia óhmica R
Por lo tanto, los efectos térmicos importantes aparecen sobre todo en los puntos deresistencia alta
Sin embargo, no se puede tomar como valor de la resistencia de un conductor lamedida en corriente continua. Con las breves ondas de choque que suponen lascorrientes del rayo aparece, como en alta frecuencia, el efecto pelicular. la corriente seencuentra confinada dentro de una capa delgada de algunas décimas de milímetro deespesor en la superficie del conductor
En conductores de sección suficiente, no aparecen más consecuencias visibles que unrecalentamiento, aun con el efecto pelicular Los calentamientos que llegan hasta latemperatura de fusión sólo se producen en conductores de sección muy pequeña o deresistividad muy alta. Se observan a menudo efectos de fusión, por ejemplo sobre loscables de antenas y los alambres. Por el contrario, raramente se observan sobre loscables más gruesos, de algunos milímetros de diámetro (por ejemplo los alambres deespino de hierro) Jamás se ha constatado un caso de fusión en las bajantes de lospararrayos que presenten las secciones recomendadas en esta norma.
Por el contrario, en los malos conductores mucha de esta energía se libera en formade calor al pasar a corriente. Debido a esto, el agua contenida en la madera, lamampostería y los materiales análogos se recalienta y se vaporiza Por la brevedaddel fenómeno en su conjunto y como consecuencia del aumento de presión, seproduce la explosión de árboles, de postes de madera de viguetas y murallas Este tipode fenómenos explosivos tiene lugar con preferencia en entornos donde la humedadse acumula en puntos de entrada o de salida de corriente entre un material malconductor (ladrillo) y un material buen conductor (abrazaderas de fijación de unabajante de pararrayos dañada, crampones de canalizaciones eléctricas, abrazaderasde hierro en conductos de gas y agua).
D.2.3 Efectos electrodinámicos
Los esfuerzos mecánicos de cierta importancia solamente se pueden manifestar en lasparte(s) de la trayectoria recorrida por la descarga situadas de forma que una de ellasse encuentra en el campo magnético creado por otra. En este caso, cuanto máspequeña sea la separación entre estas partes mayores serán los esfuerzos mecánicoslas espiras pequeñas tienden a aumentar con una fuerza grande En un anillo de 10 cmde diámetro de cable redondo de 8 mm, y en el caso de una fuerte corriente del rayode 100 kA, se le está aplicando a cada centímetro del perímetro una fuerza de 1200 N;si el diámetro es de 2 m, la fuerza no será de más de 140 N. Por la interacciónrecíproca entre la corriente del rayo dentro de un conductor y el campo magnéticoterrestre, se pueden producir unos efectos mecánicos del orden de 10 N por metro deconductor como mucho: los efectos son insignificantes
Junto con las fuerzas de repulsión, que rara vez pueden causar deformaciones en losconductores, hay también potentes fuerzas de atracción entre caminos paralelos de lacorriente del rayo. cuando su separación es lo bastante pequeña. Esta es la causa deque las antenas tubulares delgadas se aplasten y los conductores paralelos seentrechoquen.
D.2.4 Diferencias de potencial y cebados
La desconcertante abundancia de signos de chispas que aparecen después delimpacto violento de un rayo, a veces incluso dentro de los edificios provistos depararrayos, se puede explicar por dos efectos bien conocidos en electrotecnia: elaumento de potencial en las tomas de tierra. que depende principalmente de laintensidad de cresta I (amplitud) de la corriente de paso, y de los fenómenos inductivoy capacitivo, que dependen principalmente de la pendiente de la corriente di/dt y de latensión du/dt respectivamente. Téngase en cuenta que el fenómeno inductivo es máscomún y tiene consecuencias más graves que el capacitivo.
D.2.4.1 Aumento de potencial en las tomas de tierra. La existencia de una ciertaresistencia R de la toma de tierra, debida a la propia resistividad del suelo, hace que labajante del pararrayos presente, durante el paso de la corriente, una diferencia depotencial respecto a puntos próximos. El aumento del potencial total respecto a latierra lejana no afectada (que permanece por convenio a potencial cero), se expresapor la ley de Ohm: U = RI.
Así el paso de una corriente de 100 kA en una toma de tierra de 5 provocará unaumento de potencial en el dispositivo de paso de la descarga de 500 kV respecto apuntos del suelo lejanos.
En realidad este aumento del potencial se reparte en el suelo en función del tipo detoma de tierra y de las características del terreno.
Todas las partes conductoras de la estructura que están conectadas de alguna forma atierra (instalaciones de calefacción, redes de canalización, instalaciones eléctricas,revestimientos de cables,...), sufren también un aumento del potencial, si no estánconectadas entre ellas. La única forma de impedir las diferencias de potencial es unireléctricamente los conductores de bajada con las partes unidas a la toma de tierra
independientemente. De este modo, estas últimas se convierten en partes integrantesde la instalación de protección contra el rayo y pueden conducir una fracción decorriente según las leyes de circuitos en derivación. Gracias a su unión con losconductores de bajada, ellas mismas son integrantes de la instalación de protección
Como no se pueden establecer conexiones conductoras con las líneas eléctricas debaja tensión, esta norma recomienda el montaje, en los puntos apropiados, dedispositivos de protección contra las sobretensiones (varistores o vías de chispas). Losprotectores deben estar dimensionados para soportar una parte no despreciable (dealgún % hasta el 50% aproximadamente en el peor caso) de la corriente del rayo queafecta al SPCR.
NOTA - Teniendo en cuenta las frecuencias que entran en juego en losfenómenos del rayo, no es suficiente considerar el valor de la toma de tierra medida encontinua, sino, también su impedancia.
D.2.4.2 Fenómenos de inducción. Se producen por acercamiento entre la bajantea tierra y las estructuras metálicas del edificio.
Un conductor de bajada del pararrayos forma bucles abiertos con las diversasestructuras metálicas de un edificio (canalizaciones de agua, calefacción central,alimentación eléctrica, etc.). Estos bucles serán el origen de fenómenos de inducción yentre sus extremos abiertos aparecerán fuerzas electromotrices. Esta norma tiene encuenta estos fenómenos dentro del capítulo 3 (véase figura D.2).
5. NORMA UNE 21186: 1996ANEXO E (Informativo)
PROTECCIÓN DE LAS PFRSONAS CONTRA EL RIESGO DF DESCARGASELECTRICAS
DEBIDAS AL RAYO
E. 1 Generalidades
Las personas que se encuentran en el exterior de una estructura se exponen a unmayor riesgo de ser alcanzadas por el rayo, tanto por impacto directo como portensión de paso. Para las personas que se encuentran en el interior de un edificio losriesgos provienen de:
a) el aumento brusco del potencial de elementos ligados a líneas que provienen delexterior, como las líneas eléctricas, el teléfono o los cables de antenas de TVinstaladas en el exterior.
b) los objetos metálicos en el interior de una estructura que pueden también alcanzarpotenciales elevados: tensión de contacto.
Las medidas indicadas en esta norma para evitar las chispas peligrosas reducen losriesgos para las personas en el interior de las estructuras.
E.2 Conducta personal
Las personas que quieran protegerse del rayo deberán tomar las siguientesprecauciones:
a) buscar refugio en un lugar que tenga un tejado unido eléctricamente a tierra o enuna estructura completamente metálica;
NOTA.- Las tiendas de campaña de fabricación convencional no ofrecen ningunaprotección.
b) en el caso do que no haya ningún refugio próximo, se debe reducir al mismotiempo la propia altura (acuclillarse) y la superficie en contacto con el suelo (juntarlos pies), y no poner las manos sobre un objeto conectado a tierra;
c) evitar montar en bicicleta o a caballo. No permanecer en un vehículo de techodescubierto;
d) evitar entrar en el agua o nadar;
e) alejarse de los lugares elevados, de los árboles de gran altura o aislados. Si no esposible, evitar la cercanía de un árbol más allá del final de las ramas
f) evitar el contacto o la proximidad de estructuras metálicas, vallas metálicas,....
g) no llevar un objeto que sobresalga por encima de la cabeza (paraguas, palos degolf, herramientas,...)
h) evitar o limitar el uso de teléfonos de hilo;
i) evitar el contacto con todo objeto metálico, aparatos eléctricos, marcos deventanas, radios, televisiones...
E.3 Primeros auxilios
Los primeros auxilios a realizar son los mismos que para las descargas eléctricas o lasquemadura. La respiración artificial debe ser realizada inmediatamente por unsocorrista. Tal acción, así como otros tratamientos de urgencia pueden salvar a lapersona afectada.
ANEXO NACIONAL
Normas para consulta
Las siguientes normas tratan de la protección contra el rayo mediante otros sistemas:puntas Franklin hilos tendidos y mallas conductoras o jaulas de Faraday.
CEI 1024 - Protección de las estructuras contra el rayo
UNE 21 85 - Protección de las estructuras contra el rayo y principios generales.
Correspondencia con otras normas
Esta norma está basada en la norma francesa NF C 17-102 (1995): Protection desstructures et des zones ouvertes contre la foudre par paratonnerre e dispositif d´amorcage
IX BIBLIOGRAFÍA
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