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CURSO SPT CIMEMOR - GENERALIDADES
Generalidades
La tierra
La tierra se considera como una masa gigantesca con propiedades prácticamente
ilimitadas para absorber cantidades de electricidad estática o carga sin cambiar su
potencial, es decir, una masa que debido a sus dimensiones tiene muy baja
impedancia o muy alta capacitancia. Por lo tanto, la tierra se define normalmente
como aquella masa conductiva con tales propiedades eléctricas que el potencial
promedio es considerado como igual a cero en cualquier punto.
Sin embargo, esta definición involucra una tierra ideal, la cual en la práctica, para
zonas delimitas de la superficie de la tierra, se comporta de manera diferente. Debe
tenerse mucho cuidado al considerar la tierra a un potencial nulo o cero. Si un punto
se define como cero potencial, entonces la aseveración de que un punto cercano
está también a cero potencial generalmente es incorrecta.
Existen dos propiedades que se considera tiene la tierra bajo el concepto de tierra
ideal: la tierra es un “receptor” o “fuente” perfecta de corriente y la tierra puede
proporcionar un plano equipotencial dentro de una zona delimitada de la superficie
de la misma, plano que sirve como referencia ideal para circuitos eléctricos y
electrónicos. Estas propiedades sugieren que la diferencia de potencial entre dos
puntos en la tierra es cero sin importar el tipo, magnitud y frecuencia de la corriente
inyectada a la tierra; concepto que es normalmente violado en la práctica.
Pero, ¿cuál es el elemento que evita tener una tierra ideal, desde el punto de vista
eléctrico?: la resistividad del suelo , la cual define en forma práctica las propiedades
eléctricas de la tierra. De hecho, la tierra es un conductor con propiedades
conductivas muy inferiores a las propiedades conductivas de un elemento metálico.
Dr. Arturo Galván Diego.
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El sistema de puesta a tierra (SPT)
La forma de mejorar las propiedades eléctricas de la tierra como elemento disipador
de corrientes anormales que se presentan en un sistema eléctrico conectado a él y
obtener un plano lo más equipotencial posible, se logra instalando un sistema de
puesta a tierra (SPT), generalmente constituido por conductores enterrados
horizontal y verticalmente, en una arreglo que puede ser desde muy sencillo (un solo
electrodo de puesta a tierra horizontal o vertical) hasta muy complejo (un arreglo de
electrodos de puesta a tierra horizontales y verticales dispuestos de tal forma que
formen una malla de puesta a tierra).
El SPT se diseña para ofrecer una trayectoria o camino definido a tierra para las
corrientes anormales producidas tanto por fuentes hechas por el hombre (fallas a
tierra del sistema de potencia o fuentes parásitas que crean interferencia de alta o
baja frecuencia) como por fuentes naturales (rayo y fuentes externas de interferencia
de baja o alta frecuencia). La tierra es un plano conductivo con valor “finito”, del
orden de 5 a 10-5 S/m, por lo que cualquier inyección de corriente a tierra producirá
voltajes dentro y alrededor del sitio donde se inyecta, con el latente riesgo de daño a
equipo o riesgo de electrocución a seres vivos. Por lo tanto, la instalación de un
sistema o red de puesta a tierra busca mejorar las propiedades eléctricas de
disipación de corrientes indeseables a tierra, suministrando tanto una referencia
eléctrica para instalaciones eléctricas como la disipación de energía que pueda
representar un riesgo de electrocución para los seres vivos.
Ahora bien, la conexión a tierra de instalaciones eléctricas para efecto de seguridad
de personal se basa en un principio básico:
Las diferencias de potencial generados al momento de la inyección de corriente
anómala entre las partes conductivas de la instalación eléctrica y la tierra deben
ser reducidas a valores seguros.
Voltajes excesivos pueden producir el rompimiento de material dieléctrico (ya sea
aire o materiales sólidos) o, al cerrarse un circuito eléctrico vía elementos metálicos o
a través del cuerpo de una persona, corrientes peligrosas que pueden producir daño
a componentes eléctricos y/o electrónicos y riesgo de electrocución en personas.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Los objetivos básicos que se persiguen con el uso de un SPT son los siguientes:
• Ofrecer una trayectoria de drenado para los elementos metálicos no energizados
de los equipos a través de la masa de tierra, cuando se ven expuestos a tensiones
o corrientes anómalas o acumulación de cargas electrostáticas.
• Permitir el flujo de corriente en el caso de una falla tierra con el objeto de que el
equipo de protección opere correctamente y pueda aislar la falla.
• Evitar el desplazamiento del voltaje suministrado por la fuente con el fin de
garantizar la correcta operación del equipo alimentado.
• Suministrar una superficie equipotencial con el objeto de evitar o minimizar
diferencias de potencial que puedan ser fuentes de corriente indeseables y que
puedan afectar el equipo electrónico sensible.
El primer objetivo se refiere a la seguridad del personal, animales y propiedades.
Para el caso de personas y animales, el objetivo es minimizar las corrientes que
puedan circular a través de su cuerpo cuando éste entra en contacto accidental o
incidentalmente con alguna estructura metálica que presenta impresa una tensión
con respecto a tierra. El segundo se refiere a la seguridad del sistema eléctrico y sus
equipos asociados. El tercero se refiere al control de los voltajes de alimentación al
nivel de tablero general que alimenta los equipos eléctricos y electrónicos. El cuarto
se relaciona con problemas de interferencia electromagnética y la correcta operación
de equipo electrónico sensible.
Es importante establecer que existen sistemas tales como aeroplanos, radios
portátiles, satélites, barcos, globos aerostáticos, submarinos y plataformas marinas,
entre otros, en donde la tierra no tiene el mismo papel que lo tiene para los casos de
sistemas instalados en el ámbito de tierra; de hecho es absurdo pensar en una
conexión a tierra. En estos casos, el chasis o estructura del artefacto constituye el
plano equipotencial a ser considerado.
En resumen, un sistema o red de puesta a tierra debe ofrecer una trayectoria
segura para disipar corrientes anormales y reducir voltajes peligrosos a niveles
seguros, tanto para el personal y animales como para el equipo eléctrico o
electrónico sensible.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Recomendaciones para el diseño e instalación de un sistema de
puesta a tierra
Existen guías, recomendaciones y criterios de cálculo para diseñar una red de puesta
a tierra y la puesta a tierra de equipo. Estos criterios varían en su objetivo y van
desde obtener un pre-determinado valor de resistencia de conexión a tierra hasta la
obtención de una superficie equipotencial. Estas guías o recomendaciones pueden
encontrarse en normas reconocidas internacionalmente, como las siguientes:
Subestaciones de Potencia: IEEE Std 80, IEEE Std 81, IEEE Std 81.2
Sistemas de distribución y plantas industriales: IEEE Std 141
Sistemas industriales y comerciales: IEEE Std 142
Equipo electrónico: IEEE Std1100
Sistemas de instrumentación y control: IEEE Std 1050
Control automático y supervisión de datos: IEEE Std C37.1
Tensiones transitorias en bajo voltaje: IEEE C62.41
Protección contra tormentas eléctricas: IEC 61024
Líneas de telecomunicaciones en conductores metálicos: IEC 61663
Protección contra impulsos electromagnéticos: IEC 1312
Protección con apartarrayos para sistemas >1kV: IEC C62.11
Compatibilidad electromagnética: IEC 61000
Control de Interferencia Electromagnética: MIL -STD-461E
Puesta a tierra para equipo electrónico: MIL-HDBK-419a
Protección de quipo electrónico contra rayo: FAA-STD-019d
Protección contra rayo: BS 6651
Protección contra rayo: AS 1764
Protección contra rayo: NFPA 780
Código de seguridad en instalaciones eléctricas: NFPA 70
Estas guías o recomendaciones han sido elaboradas con la experiencia adquirida
durante muchos años y se han validado con el beneficio obtenido a través de una
correcta operación de los equipos eléctrico y electrónico sensibles y en la
minimización del riesgo de electrocución para las personas y animales.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Redes de puesta a tierra basadas en la aplicación de nuevas
tecnologías
Periódicamente surgen productos que pregonan cambios revolucionarios en la
tecnología de los sistemas de puesta a tierra, sin embargo cuando dichos productos
violan los principios establecidos en las normas internacionales; Normas que
acumulan la e xperiencia y el consenso de expertos tanto teóricos como prácticos en
el ámbito mundial, siempre se demuestra que las tecnologías novedosas que
pregonan propiedades extraordinarias, con conceptos sui generis no demostrables
con las leyes básicas del electromagnetismo, terminan en grandes fiascos con el
consiguiente costo en inversiones improductivas y riesgo innecesario de accidentes
que involucran tanto a seres vivos como a equipos.
Desde el punto de vista económico, el SPT convencional siempre es más barato y
más eficiente que los sistemas modificados y en consecuencia si se hace necesario
utilizar alguna tecnología complementaría para un SPT, siempre se deberá hacer una
evaluación beneficio costo.
Solo podrán utilizarse tecnologías que sean congruent es con las normas
aprobadas y vigentes tanto nacionales como internacionales que se apliquen.
A pesar de que el SPT convencional tiene el inconveniente de depender de las
variaciones en las características eléctricas del suelo y de los posibles problemas de
corrosión en sus componentes pasivas, la experiencia ha demostrado que una
adecuada selección de las partes metálicas en la etapa de diseño tomando en
cuenta las características del suelo donde se instala el sistema de puesta a tierra y
un buen esquema de mantenimiento una vez puesta en operación, garantiza una
correcta operación del sistema de conexión a tierra convencional por muchos años.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Empleo correcto de la terminología
El nombre genérico sistema de puesta a tierra involucra la palabra “sistema”, que se
refiere a los elementos enterrados en el suelo de cierto material, geometría y
trayectoria interconectados entre sí; la palabra “puesta” (también conexión) que se
refiere a la facilidad de interconectar las partes de un objeto o equipo al sistema, y la
palabra “tierra”, que se refiere a una sola tierra, ya que no existen diversas tierras
como elemento sólido del planeta. Comúnmente se utilizan términos erróneos para
referirse a un sistema de puesta a tierra, tales como “las tierras”, o “sistema de
tierras”.
Por otro lado, es muy frecuente confundir las palabras “Puesta a Tierrra” (Grounding
en inglés) y “Puesto a tierra” (Grounded en inglés). Puesta a tierra se refiere a la
conexión a tierra de partes metálicas (gabinetes) que normalmente no conducen
corriente eléctrica por medio de un conductor hasta el sistema de puesta a tierra. La
palabra Puesto a Tierra se refiere conectar a tierra sistemas o circuitos que
normalmente conducen corriente, como los neutros de los sistemas eléctricos.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Aspectos de seguridad
Una red de puesta a tierra con resistencia baja no es segura por sí misma. Durante
condiciones anormales, el flujo de corriente a tierra producirá gradientes de potencial
que pueden ser de magnitud suficiente para poner en peligro a una persona que se
encuentre dentro del área de influencia de la corriente. Asimismo, pueden producirse
diferencias de potencial peligrosos entre el equipo conectado a tierra y una tierra
cercana.
Los aspectos de seguridad involucran aspectos sobre la corriente permisible que
debe circular por el cuerpo humano para asegurar la integridad física del mismo. Por
lo tanto, es esencial que el sistema de puesta a tierra limite las tensiones de paso y
de contacto a valores tolerables indicados en la normatividad aplicable. Los aspectos
que deben tomarse en cuenta para realizar el análisis de seguridad de las personas
son los siguientes:
a) Corriente anómala que circula a tierra en relación al área del sistema de
puesta a tierra y su resistencia con respecto a una tierra remota.
b) La resistividad del suelo y la distribución de las corrientes de tierra que puedan
generar elevados gradientes de potencial en la superficie de la tierra.
c) La presencia de personas que puedan “puentear” dos puntos con diferente
potencial eléctrico.
d) La ausencia de una suficiente resistencia de contacto para limitar la corriente
a través del cuerpo humano y asegurar su integridad física.
e) Duración de la falla y duración del contacto de la persona con el elemento
fallado que pueda causarle daño.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Sistemas de Alta Calidad
Un sistema de puesta a tierra de alta calidad eleva la confiabilidad del sistema
eléctrico, reduce c ostos de mantenimiento y genera ahorro de tiempo y recursos.
Para mucha gente, el instalar un sistema convencional o estándar de puesta a tierra
consiste de dos electrodos de puesta a tierra enterrados y…LISTO !! Sin embargo,
esto es inadecuado para las necesidades de hoy en día, principalmente para
instalaciones grandes de alta potencia.
Los requerimientos para los niveles de resistencia de puesta a tierra son más
precisos debido a las tensiones cada vez más bajas y velocidades más elevadas de
operación de la electrónica moderna. Por ejemplo, la industria de las
telecomunicaciones requiere una resistencia de puesta a tierra menor que 5 Ω , el
cual representa menos de la mitad de la resistencia exigida hace algunos años.
Las especificaciones varían según las industrias involucradas, llegando incluso a
exigirse (por ejemplo fabricantes de equipo de procesos y equipo para aplicaciones
médicas) hasta 3 Ω de resistencia de puesta a tierra. Inclusive, se han visto
requerimientos de “menor de 1 Ω ” en algunas especificaciones de instalación y de
servicio.
Sin embargo, un sistema de alta calidad es mucho más que lograr una baja
resistencia de puesta a tierra. Un sistema de puesta a tierra de alta calidad ofrece un
comportamiento predecible, de largo tiempo y estable climáticamente, y por
supuesto, la facilidad de realizar actividades de prueba y mantenimiento.
Las actividades de prueba son importantísimas, porque el sistema de puesta a tierra
se degrada, ocasionando daño en sus componentes, los cuales no son fácilmente
identificables, hasta que ocurre un evento catastrófico.
La única manera de lograr un sistema de puesta a tierra de alta calidad es diseñarlo
y optimizarlo con bases de ingeniería. Esto permite lograr los objetivos deseados sin
elevar el costo innecesariamente. En otras palabras:
El diseño y la optimización con bases de ingeniería permiten obtener lo que uno
desea al precio justo.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Inicio de proyecto: Resistividad del suelo
Las características eléctricas del suelo juegan un papel muy importante en el
comportamiento y costo del sistema de puesta a tierra. Datos confiables del suelo
permiten predecir resultados y diseñar con precisión. El tipo de suelo, humedad,
contenido electrolítico y temperatura afectan la resistividad del suelo. La profundidad
de congelamiento, el nivel freático, capas de roca y espacio físico disponible
determinan el diseño específico requerido del sistema de puesta a tierra.
La determinación de la resistividad del suelo puede realizarse por medio de los
siguientes dos procedimientos:
1) Mediciones eléctricas en campo, utilizando el método más popular que es el
método de Wenner o de los cuatro electrodos.
2) Análisis de muestras específicas del suelo
Desde el punto de vista eléctrico, el método o procedimiento más común y práctico
es el método de Wenner o de los cuatro electrodos. La ventaja principal de este
método es su simplicidad y precisión, sin necesidad de monitorear directamente
profundidades considerables que representan un elevado costo y tiempo de
inversión.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Proceso de diseño y optimización
El proceso de diseño y optimización debe ser realizado por un especialista en la
materia, considerando los límites de área disponible, costo, equipo a ser protegido y
personal involucrado. Además, es necesario utilizar los conceptos básicos y
herramientas tanto analíticas como computacionales para modelar el sistema de
puesta a tierra, tomando como base datos confiables de la resistividad del suelo,
objetivo del diseño y otros factores.
El objetivo del diseño representa el corazón del modelo. Existen diferencias
sustanciales cuando se pretende modelar un sistema de puesta a tierra para una
subestación eléctrica, una planta o central eléctrica, una línea de transmisión, una
línea de distribución, un sistema de telecomunicaciones o un sistema contra
tormentas eléctricas.
Cada sistema requiere satisfacer necesidades puntuales, que deberán ser incluidas
en el modelo y eliminadas aquellas innecesarias que únicamente podrían elevar el
costo del sistema de puesta tierra sin necesariamente aumentar la confiabilidad del
sistema.
Una vez obtenido el modelo, que obviamente cumple con las especificaciones
técnicas, es necesario realizar un proceso de optimización, el cual representa un
equilibrio entre las necesidades técnicas, de seguridad y de costo de la instalación.
Este proceso de optimización representa un parámetro económico importante para el
usuario.
Un aspecto importante en el diseño lo representa la información escrita y planos
correspondientes, ya que deben indicarse claramente los criterios utilizados, las
normas consultadas, la especificación de los materiales, la configuración del sistema,
cantidad y localización de electrodos, registros, empalmes, barras de unión,
espaciamientos, etc.
Cuando la resistividad del suelo es tan alta que obtener una resistencia de puesta a
tierra baja representa una tarea imposible, la unión equipotencial llega a ser el
parámetro fundamental del sistema de puesta a tierra, tanto para la seguridad del
personal como para la seguridad e integridad del equipo a proteger.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Selección de electrodos y configuración de la red
Existen diversos tipos de electrodos y cables en el mercado para formar la red de
puesta a tierra , desde muy simples y económicos hasta muy caros e innecesarios. El
diseñador debe tener en mente que el sistema de puesta a tierra debe reunir los
siguientes requisitos: bajo costo inicial, productos disponibles en el mercado
nacional, productos de alta calidad (y no necesariamente de alto costo), evitar el
empleo de productos mágicos, tiempo mínimo de servicio de 20 años, facilidad de
inspección y medición, facilidad de mantenimiento .
Es muy importante aplicar siempre la siguiente premisa:
El sistema de puesta a tierra de alta calidad no debe estar sujeto a la
disponibilidad de otros sistemas, tales como los sistemas a base de tubería de
agua subterránea o los cimientos metálicos de la instalación, por lo que estos
sistemas pueden utilizarse solo como elementos complementarios del sistema de
puesta a tierra diseñado e instalado para el propósito específico de diseño.
Analizar Artículos 250-81 y 250-83 de la NOM-001-SEDE-2005
Deben considerarse elementos adicionales como los electrodos Ufer, platos
metálicos enterrados o electrodos compuestos (con rellenos químicos) para mejorar
el comportamiento del sistema de puesta a tierra, considerando como objetivo
específico disminuir el valor de la resistencia de puesta a tierra del sistema.
Para el caso de los rellenos químicos, éstos deben ser electrolíticamente activos,
tener un buen manejo de energía, tener estabilidad estacional, alta capacidad de
retención de humedad, baja relación de pérdida de humedad, elevada conductividad,
pH natural y no ser agresivo contra el ambiente (agentes contaminantes). Además, la
composición del relleno químico debe ser tal que su mantenimiento no represente un
costo importante de la instalación.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Unión equipotencial contra aislamiento
La unión equipotencial representa un método sumamente importante. Existen todavía
prácticas peligrosas en donde se utilizan sistemas de puesta a tierra separadas (no
unidas mediante un elemento altamente conductivo) que se encuentran instaladas en
una misma instalación. Esta práctica genera diferencias de potencial peligrosos que
ponen en riesgo tanto al personal como al equipo a proteger.
El mito de los sistemas de puesta a tierra aislados en una instalación con una o más
fuentes de alimentación eléctrica y en el cual se comparten líneas de señales
eléctricas como un requerimiento de seguridad y eliminación de ruido eléctrico
violenta los conceptos básicos y las normas vigentes aplicables.
La unión equipotencial elimina cualquier posibilidad de diferencias de potencial que
puedan generar arcos eléctricos o corrientes indeseables, cuando dicha diferencia de
potencial encuentra un circuito cerrado. La electricidad siempre busca regresar a su
fuente, por lo que una omisión de la unión equipotencial, puede producir una
condición de elevadas tensiones, generando que la corriente intente regresar a su
fuente, no importante si lo hace a través de un co nductor o a través del vencimiento
de un dieléctrico, sea éste cual fuere.
Aún cuando se tenga la unión equipotencial, si ésta se realiza en forma inadecuada,
pueden formarse lazos cerrados peligrosos por donde circulará la corriente
indeseable (que no pertenece al sistema) con el consecuente problema de corrientes
circulante, ruido eléctrico y un impredecible e inestable sistema de puesta a tierra.
Analizar Artículo 250-21 de la NOM-001-SEDE-2005
Debe recordarse que una corriente indeseable y letal no distingue entre un equipo
y una persona.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Pruebas y mantenimiento
Independientemente del diseño del sistema de puesta a tierra, la medición de la
resistencia de puesta a tierra es un procedimiento estándar para los propietarios de
la instalación o el equipo en servicio. La verificación de la resistencia de puesta a
tierra inmediatamente después de la instalación del sistema debe constituir una parte
fundamental del proyecto y de los programas de mantenimiento.
Las actividades de pruebas y mantenimiento validan y soportan el esfuerzo realizado
en la etapa de diseño, provee n una evidencia escrita necesaria para obtener la
garantía de los proveedores o fabricantes y establece una línea base para las futuras
evaluaciones del sistema.
La continua supervisión ayuda a identificar los problemas de daño a conductores que
pueden poner en peligro la confiabilidad del sistema de puesta a tierra.
Debe recordarse lo siguiente:
El sistema de puesta a tierra será tan bueno como el esfuerzo puesto en su
concepción, mediciones, diseño, optimización, pruebas y mantenimiento.
El sistema de puesta a tierra de alta calidad podrá mantenerse en ese estado
mientras exista una supervisión y dedicación excelente por parte del responsable.
El propósito del código NEC 2005 (National Electrical Code) de Estados Unidos y
ampliamente utilizado en México mediante la NOM-001-SEDE-2005 es establecer los
requerimientos mínimos de seguridad – NO DE OPERACIÓN.
El NEC 2005 art. 250-56 (Articulo 250-84 de la NOM-001-SEDE-2005) requiere de
“25 Ω o menor” como un valor mínimo estándar de seguridad, el cual representa un
valor muy elevado para las exigencias del equipo electrónico sensible. El art. 250-2
del NEC 2005 requiere que cada sistema de puesta a tierra sea permanente y
eléctricamente continuo, capaz de soportar en forma segura la corriente máxima de
falla suministrando al mismo tiempo una trayectoria de baja impedancia.
Un sistema de puesta a tierra de Alta Calidad no debe cumplir simplemente los
requerimientos del NEC o de cualquier otra guía aplicable, sino que los debe
exceder, y por mucho.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Sistema de Puesta a Tierra en Subestaciones de c.a.
El tratamiento para el sistema de puesta a tierra en subestaciones eléctricas es
similar cuando ellas están ubicadas ya sea en un sistema de distribución, de
transmisión o de generación de energía eléctrica. Generalmente, el objetivo primario
para este tipo de instalaciones lo constituye el aspecto de seguridad, debido a las
elevadas corrientes que pueden generarse ante una eventual falla del sistema.
Por lo tanto, los aspectos que deben analizarse en este tipo de estudios son los
siguientes:
1) Límites para las tensiones de paso y de contacto que puedan afectar al ser
humano o a seres vivos en general. Con esto se pretende asegurar que la
persona en la vecindad del sistema de puesta a tierra no estará expuesta a
condiciones de electrocución o daño que pueda poner en riesgo su vida.
2) Suministrar los medios para conducir las corrientes anómalas a tierra bajo
condiciones normales y de falla sin exceder los límites de operación del
sistema y del equipo involucrado que puedan afectar la continuidad del
servicio
En forma práctica, los controles que deben existir para garantizar la seguridad del
sistema de puesta a tierra deben realizarse en los siguientes elementos:
1) La puesta a tierra intencional, que consiste de los electrodos y conductores
enterrados a una cierta profundidad.
2) La puesta a tierra accidental, temporalmente establecida por una persona
expuesta al gradiente de potencial en la vecindad del sistema de puesta a
tierra.
Nuevamente, aquí es importante indicar que el concepto de que cualquier electrodo
enterrado constituye un sistema de puesta a tierra de alta calidad resulta ser una
práctica peligrosa, siendo la causante de pérdidas humanas, ya que una baja
resistencia de puesta a tierra no garantiza, por sí sola, ser un medio de seguridad.
No existe una simple relación entre la resistencia de puesta a tierra del sistema y la
corriente máxima a la cual la persona puede estar exp uesta. Por lo tanto, una
subestación con una elevada resistencia de puesta a tierra y con un diseño
adecuado y optimizado puede ser más segura que otra con un valor menor de
resistencia pero con un diseño inadecuado.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Sistema de puesta a tierra en Estaciones/Instalaciones/Plantas
Industriales
Una Estación/Instalación/Planta de Generación o Industrial es una instalación
compleja, donde se tiene equipo diverso, tales como: equipo y elementos de alta
tensión, torres de transmisión, subestaciones eléctricas, cuarto de máquinas,
Fuentes de emergencia, área de interruptores, equipo electrónico sensible confinado
en cuartos de control y estructuras metálicas inherentes a la instalación. Cada una de
ellas necesita una red específica de puesta a tierra, ya que a
l s necesidades son
diferentes.
El diseño debe empezar por las mediciones de resistividad del terreno para poder
determinar las características del sistema de puesta a tierra. Generalmente, para
centrales muy grandes, se recomienda que el valor de la resistencia de puesta a
tierra no exceda los 0.5 Ω. Sin embargo, si la central no es muy grande (1500 kW) el
valor puede ser hasta de 1.0 Ω., considerando la conexión en paralelo de las
diferentes redes de puesta a tierra en las áreas de interés.
Es importante considerar que la profundidad de los electrodos y conductores de
puesta a tierra alcancen niveles húmedos permanentes, siempre que sea posible.
Nuevamente, la calidad de los materiales reviste una gran importancia para asegurar
un mayor tiempo de servicio. Para tal efecto, debe considerarse el área cerca de la
cortina (generalmente húmeda) para colocar una o dos redes de puesta a tierra, la
cual puede ser usada para la puesta a tierra del equipo ubicado en la cortina y ser un
punto de conexión para la red de puesta a tierra de la casa de máquinas.
Las uniones entre redes de puesta a tierra deben estar interconectadas por medio de
dos conductores de unión, uno en cada extremo de la red, con el fin de garantizar la
unión equipotencial, aún cuando uno de ellos sufra una avería o daño, que genere un
punto de discontinuidad.
Debe seleccionarse cuidadosamente el tamaño del conductor, de acuerdo las
siguientes condiciones: (a) debe soportar los esfuerzos mecánicos encontrados
durante la etapa de construcción, (b) soportar corrientes de falla sin que sufra daño
evidente o latente, (c) No exceder los 50 V de tensión en el cable cuando circule la
corriente de falla .
Analizar Artículos 250-91, 250-92, 250-93, 250-94, 250-95, 250-97 y 250-99 de la
NOM -001-SEDE-2005.
Debe considerarse en la instalación la disponibilidad y facilidad en las actividades de
inspección, pruebas y mantenimiento, con el fin de garantizar que los criterios
utilizados en el diseño permanezcan durante el tiempo de servicio del sistema de
puesta a tierra.
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Sistema de puesta a tierra en estaciones de generación
El diseño de las estaciones de generación eléctrica son complicadas considerando
su extensión en áreas abiertas con múltiples edificios y tensiones asociadas, efectos
de tierra de infraestructura enterrada, máquinas rotatorias, áreas abiertas extensas,
sistemas auxiliares con tensiones múltiples y la necesidad hoy en día de asegurar
una “tierra limpia” cuando se involucran sistemas de control.
Por lo tanto, es importante que, a diferencia del tratamiento analítico para las
subestaciones eléctricas, el ingeniero diseñador tenga una herramienta para realizar
cálculos manuales utilizando principios y criterios universales de los sistemas de
puesta a tierra.
Los objetivos cuando se diseña un sistema de puesta a tierra para estaciones de
generación son: la puesta a tierra del neutro del generador, la puesta a tierra del
equipo asociado y la puesta a tierra de seguridad.
La puesta a tierra del neutro del generador (sólidamente aterrizado, por medio de
una resistencia, etc.) se realiza para obtener la referencia de tierra del sistema
eléctrico. Esta conexión se realiza en el punto neutro del generador o transformador.
La puesta a tierra del equipo asegura una baja impedancia de retorno para las
corrientes por tierra producto de una falla ocurrida entre los conductores vivos y la
envoltura metálica del equipo. Si se asegura esta trayectoria de retorno, se asegura
también que los dispositivos de protección operarán a tiempo para liberar la falla.
La puesta a tierra de seguridad se realiza para proteger al personal de posibles
daños. Esta conexión se realiza en aquellas partes donde generalmente no circula
corriente, pero con riesgo de llevar corriente ante condiciones anormales.
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Sistema de puesta a tierra en subestaciones Metal Clad
Este tipo de subestaciones tiene la característica de estar formada por módulos con
el objeto de aislar todos los componentes, tales como instrumentación, bus principal
y entradas y salidas.
Contiene generalmente todos los controles asociados tales como control,
instrumentación, medición, relevadores, protección y dispositivos de regulación.
Desde el punto de vista de puesta a tierra, ésta se encuentra incluida en la
subestación eléctricamente conectada junto con las estructuras de los módulos en
los cuales se encuentran ubicados los dispositivos o equipos primarios.
Es necesario que en todos los puntos de conexión entre el bus de tierra y el cuerpo
del ensamblaje se retiren todos los aislamientos o recubrimientos no conductivos,
tales como pintura, con el objeto de asegurar una continuidad eléctrica.
El bus de tierra para cada grupo debe tener facilidades de conexión para otros
elementos necesarios dentro o fuera de la subestación.
Las conexiones al bus de puesta a tierra deben realiza rse de tal manera que no sea
necesario abrir el bus de puesta a tierra para retirar alguna conexión hecha en el bus
de puesta a tierra.
Las conexiones a tierra deben realizarse para todos los elementos que puedan ser
retirados (no fijos) para asegurar los marcos y mecanismos correspondientes siguen
conectados a tierra hasta que el circuito primario y el elemento removible es
colocado a una distancia de seguridad.
Cuando se ubiquen envolventes de instrumentación, medición, relevadores y equipo
similar, debe asegurarse la correcta conexión a tierra al bus de puesta a tierra.
Debe asegurarse la correcta conexión del bus principal de puesta a tierra de la
subestación con la red de puesta a tierra, por lo menos en dos puntos diferentes, con
el objeto de asegurar continuidad en caso de la pérdida de uno de los conductores
de conexión.
Dr. Arturo Galván Diego.
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CURSO SPT CIMEMOR - GENERALIDADES
Puesta a tierra de generadores síncronos
La puesta a tierra de los generadores síncronos utilizados en la generación de
energía eléctrica tiene el objetivo de proteger los elementos constitutivos del mismo
para asegurar su integridad física y la continuidad del sistema eléctrico.
Existes diversos esquemas de conexión a tierra:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Sólidamente aterrizado
Aterrizado con baja impedancia
Aterrizado con baja resistencia
Aterrizaje re sonante
Aterrizado con alta resistencia
Flotado
La puesta a tierra con alta resistencia puede realizarse mediante transformadores de
distribución o mediante resistencias especiales de conexión de neutro.
La puesta a tierra con resistencia a tierra con baja resistencia puede lograrse
mediante resistencias conectadas al neutro del generador, así como la puesta a
tierra con baja inductancia puede obtenerse mediante un aterrizamiento GFN
(Ground Fault Neutralizar).
Los tipos de puesta a tierra del neutro del generador tienen un impacto directo en los
esquemas adecuados de protección de los generadores, los cuales generalmente
están formados por relevadores que monitorean la falla y envían las señales para la
apertura del circuito o acción preventiva.
Por ejemplo, los esquemas de protección para generadores que utilizan métodos de
puesta a tierra ya sea de alta resistencia o resonante, son generalmente sensibles
para detectar fallas de fase a tierra en el secundario de los transformadores
conectados al generador.
Una vez que el esquema de protección detecta una falla que puede producir daño al
generador, éste es desconectado del sistema, ya que la premisa es cuidar al
generador ante cualquier otra alternativa de operación. Uno de los riesgos de operar
el generador con una puesta a tierra de baja impedancia es el daño ocasionado al
núcleo, mientras que el riesgo de operarlo con una puesta a tierra de alta impedancia
es la posibilidad de una segunda falla.
Dr. Arturo Galván Diego.
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CURSO SPT CIMEMOR - GENERALIDADES
Sistema de puesta a tierra en instalaciones de baja tensión
(distribución)
El sistema de puesta a tierra para sistemas de distribución y circuitos de C.A. en baja
tensión tiene cuatro propósitos principales:
Protección contra sobre tensiones. El rayo, sobre tensiones transitorias o el contacto
no inte ncional de líneas de alta tensión pueden causar elevaciones de tensión
peligrosas en los sistemas de distribución. La puesta a tierra ofrece una trayectoria
alterna en el sistema eléctrico del hogar, oficina, trabajo o industria para reducir el
daño por ta les eventos
Referencia para la tensión. Existen muchas fuentes de electricidad. Cada
transformador puede considerarse como una fuente separada. Si no existiera una
referencia común para todas estas fuentes, sería sumamente difícil calcular las
relaciones de tensión entre ellas. La tierra es el elemento más grande que existe en
el planeta que puede utilizarse como una superficie o volumen conductivo.
Operación de dispositivos de protección. La puesta a tierra proporciona una
trayectoria de retorno de baja impedancia a la fuente para las corrientes de falla.
Seguridad de las personas. Esta es la principal razón para la puesta a tierra en redes
de distribución y circuitos de baja tensión. Cuando todas las partes metálicas de los
equipos eléctricos están conectados a tierra y el aislamiento interno del equipo falla,
no se presentan tensiones peligrosas en la envolvente del equipo. Cuando esto
sucede (el conductor energizado toca la envolvente del equipo) el circuito eléctrico
está efectivamente cortocircuitado y los fusibles operan inmediatamente, eliminando
las tensiones peligrosas.
Independientemente del uso que se le asigne al sistema de puesta a tierra,
NUNCA debe comprometerse la seguridad de las personas.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Sistema de puesta a tierra cuartos de control y computadoras
La conexión a tierra ha tenido en la práctica diversos enfoques, siendo el principal la
seguridad, pero siguiendo a ésta la función de protección a los equipos e
instalaciones, y finalmente la cuestión de funcionalidad de los equipos. Todas estas
funciones no siempre son exigidas por las necesidades de una instalación, pero
generalmente los sistemas eléctricos interactúan con otros sistemas para lograr un
sistema total, de esta manera deben tomarse en cuenta las características de cada
subsistema para que éstos sean compatibles.
Entre los subsistemas de conexión a tierra figuran principalmente: 1) el de seguridad
de las personas, 2) el de protección contra descargas, 3) el de referencia para señal
y 4) el subsistema de electrodos. Cada uno de ellos impone ciertas características al
diseño del sistema de conexión a tierra, por lo que es necesario coordinar cada una
de éstas características en la integración de un sistema de conexión a tierra total.
La división de un sistema de puesta a tierra en subsistemas funcionales es necesaria
para propósitos de análisis y estudio, sin embargo en el momento de diseño debe
haber una integración de los diferentes subsistemas con sus respectivas
características. Es por eso que es necesario el análisis que permita conocer estas
características y hallar su compatibilidad. Por ejemplo, el subsistema de conexión a
tierra de seguridad sólo requiere que los equipos y partes metálicas sean puestos a
tierra para evitar potenciales peligrosos y circulación de corrientes a través del
cuerpo. Mientras que el subsistema de referencia para señal requiere cumplir con
los requisitos del subsistema anterior pero además debe buscarse un esquema que
evite la propagación de interferencia. En este caso parece haber conflictos entre un
subsistema y otro debido a que generalmente en el subsistema de seguridad no se
toman en cuenta los criterios para evitar interferencia de señales, lo cual conduce en
la mayoría de los casos a hacer modificaciones que hacen inseguros los sistemas de
puesta a tierra existentes, a cambio de hacerlos funcionales, es decir, libres de
interferencia.
Uno de los problemas principales que se analiza en este capítulo es el uso de las
“tierras separadas” o uso de electrodos independientes no interconectados. Esta
práctica inadecuada es la que da origen a la necesidad de un sistema integral de
conexión a tierra.
¿Cuestión de Calidad de la Energía?
El término Calidad de la Energía significa diferentes cosas para diferentes personas.
Una definición es la relativa a la frecuencia y severidad de las desviaciones en el
suministro de energía eléctrica que alimenta a las computadoras y procesos basados
en computadoras, generalmente en la forma de onda de la tensión a 60 Hz, que
puedan causar problemas de seguridad y operación confiable.
Dr. Arturo Galván Diego.
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La gran mayoría de los problemas de Calidad de la Energía en un edificio o
instalación se originan en el mismo edificio. Instituciones como la IEEE y otras han
publicado Guías y Recomendaciones con el objeto de REDUCIR, si no eliminar, la
incidencia y severidad de los problemas relacionados con la Calidad de la Energía.
En muchos casos, puede prevenirse el problema mejorando el sistema de alambrado
y el sistema de puesta a tierra.
De acuerdo con el EPRI (Electrical Power Research Institute) el problema de la
Calidad de la Energía puede estar relacionado hasta en un 80% con prácticas
inadecuadas de alambrado o puesta a tierra.
Técnicas de reducción de Armónicos
1. Neutros de doble tamaño o neutros separados por fase.
2. Transformadores de aislamientos con blindaje.
3. Filtros de Armónicos.
4. Transformadores con factor K .
5. Interruptores y Páneles para condiciones Armónicas.
Técnicas para el alambrado.
A) Utilizar circuitos separados para la red de computadoras.
B) Se recomienda conectar de tres a seis tomacorrientes por cada circuito, en vez de
doce como se indica en la Normatividad.
C) Encerrar el alambrado en conduit, ofreciendo así blindaje a señales de RF.
D) Utilizar circuito aislado de tierra, independientemente del material del conduit.
E) Se recomienda permitir un 1% máximo de caída de tensión en el circuito derivado
que alimenta cargas sensibles.
F) Utilizar materiales adecuados.
Técnica de Puesta a Tierra
A) Todos los encerramiento, envolventes, conductores de tierra de equipo y del
electrodo de puesta a tierra deben unirse en un solo punto y éste al sistema de
puesta a tierra. Debe incluirse el acero estructural o de refuerzo de la instalación.
B) Utilizar trayectorias “aisladas” para el conductor de puesta a tierra, reduciendo así
la posibilidad de generar ruido eléctrico.
C) Utilizar un arreglo en anillo (encerrando la periferia del edificio) para la red de
puesta a tierra, en lugar de arreglos sencillos de uno o más electrodos en paralelo,
como lo recomienda el artículo 250-81 de la NOM-001-SEDE-2005.
D) Para el caso de electrodos verticales en paralelo, la distancia de separación entre
ellos debe ser dos veces la longitud de enterramiento.
Los problemas de Calidad de la Energía pueden evitarse completamente
cuando se construyen edificios nuevos mediante el diseño cuidadoso del
alambrado eléctrico y la puesta a tierra del sistema.
Dr. Arturo Galván Diego.
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Puesta a tierra Radial
Sistema Aislado de Puesta a Tierra
Técnica del “Halo” para la Puesta a Tierra
Dr. Arturo Galván Diego.
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Sistema de puesta a tierra para la protección contra tormentas
eléctricas
Desde el punto de vista de protección contra tormentas eléctricas debe utilizarse un
SPT que minimice los potenciales de paso y contacto para reducir riesgos de
electrocución y la formación de arcos laterales entre partes metálicas que pongan en
peligro al personal y al equipo en la trayectoria de los conductores de bajada.
El SPT debe integrarse por un arreglo de 3 electrodos por cada conductor de
bajada cuando éstos no se interconecten entre sí por medio de un conductor
enterrado en arreglo en anillo . Cuando los electrodos de puesta a tierra de los
conductores de bajada se interconecten entre sí mediante un conductor enterrado
puede utilizarse un arreglo de uno o más electrodos de puesta a tierra.
El SPT debe integrar, incluir e interconectar todos los sistemas dentro de la
instalación (SPTE, sistemas de energía eléctrica, sistemas de telecomunicaciones,
entre otros). Considérese la unión equipotencial.
Con el fin de mantener la elevación de potencial del SPT a niveles seguros, se
recomienda que el valor de la resistencia de puesta a tierra se mantenga en niveles
no mayores que 10 Ω. Este valor de resistencia debe cumplirse para cada arreglo de
3 electrodos por conductor de bajada, cuando éstos no se encuentren
interconectados.
Los elementos que deben formar un SPT son:
-
Electrodos de puesta a tierra.
Conductores desnudos para unir los electrodos.
Conexiones soldables.
Registros
Analizar Artículos 250-46, 250-86, 800-13, 800-40(d), 810-21(j), 820-10(e)(3), 82040(d) de la NOM-001-SEDE-2005
Analizar contenido de la norma mexicana NMX-J-549-ANCE-2005
Dr. Arturo Galván Diego.
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