Introducción
En el sigu siguie ient ntee tra traba bajo jo estará estará basad basado o en la reali realizac zació ión n de los los con concep cepto toss y parámetros para los sistemas puesta a tierra donde se darán a conocer los diferentes tipos de sistemas puesta a tierra. También se denotaran aspectos como las mediciones de terreno, los efectos que causan los diferentes niveles de temperatura en el terreno, además además de las fórmula fórmulass para para realizar realizar los cálculos cálculos de tensión tensión de paso y tensión tensión de contacto. Los efectos fisiológicos que causan los distintos niveles de corriente en el cuerpo umano además de sus consecuencias,
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1. SISTEMAS PUESTA A TIERRA.
Los sistemas puesta a tierra es un mecanismo de seguridad que forma parte de las instalaciones eléctricas y que consiste en conducir eventuales desv!os de la corriente acia la tierra, impidiendo que el usuario entre en contacto con la electricidad. La importancia de entender el comportamiento de la electricidad y cuáles son sus aplicaciones, oy en d!a es un eco que todas las personas se ven involucradas de cualquier modo con electricidad tanto en sus casas como en el trabajo. "os enfocaremos solo a una parte muy importante de las protecciones de electricidad como son las protecciones de puesta a tierra. E#isten normas que regulan la importancia de la puesta a tierra y tienen por misión entregar parámetros a los usuarios para asegurar una buena puesta a tierra 2. Objetivos del sistema de uesta a tierra! $abilitar la cone#ión a tierra en sistemas con neutro a tierra. %roporcionar el punto de descarga para las carcasas, armazón o instalaciones. &segurar que las partes sin corriente, tales como armazones de los equipos, estén
siempre a potencial de tierra, aun en el caso de fallar en el aislamiento. %roporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de proceder en ellos a trabajos de mantenimiento. 'na eficiente cone#ión a tierra tiene muca importancia por ser responsable de
la preservación de la vida umana, maquinarias, aparatos y l!neas de gran valor. (. Tios de sistemas de uesta a tierra. %uesta a tierra para sistemas eléctricos. • El propósito de aterrar los sistemas eléctricos es limitar cualquier voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o de contactos no intencionales con cables de voltajes más altos. Esto se realiza mediante un conductor apropiado a la 4
corriente de falla a tierra total del sistema, como parte del sistema eléctrico conectado al planeta tierra.
•
%uesta a tierra de los equipos eléctricos. )u propósito es eliminar los potenciales de toque que pudieran poner en peligro
la vida y las propiedades, de forma que operen las protecciones por sobre corriente de los equipos. 'tilizado para conectar a tierra todos los elementos de la instalación que en condiciones normales de operación no están sujetos a tensiones, pero que pueden tener diferencia de potencial con respecto a tierra a causa de fallas accidentales en los circuitos eléctricos, as! como los puntos de la instalación eléctrica en los que es necesario establecer una cone#ión a tierra para dar mayor seguridad, mejor funcionamiento y regularidad en la operación y en fin, todos los elementos sujetos a corrientes eléctricas importantes de corto circuito y sobretensiones en condiciones de falla. •
%uesta a tierra en se*ales electrónicas. %ara evitar la contaminación con se*ales en frecuencias diferentes a la deseada.
)e logra mediante blindajes de todo tipo conectados a una referencia cero o a tierra. •
%uesta a tierra de protección electrónica. %ara evitar la destrucción de los elementos semiconductores por sobre voltajes,
se colocan dispositivos de protección de forma de limitar los picos de sobré tensión conectados entre los conductores activos y tierra. La puesta a tierra de los equipos electrónicos y de control, consta de una serie de electrodos instalados remotamente al edificio. En el interior se instala una barra de cobre electrol!tico de dimensiones adecuadas montada a +.- metros sobre nivel de piso terminado con una leyenda indicativa, que es de uso e#clusivo para el sistema de electrónica. La resistencia a tierra má#ima en este sistema debe ser de unos + ms, cuando no se alcanza la resistencia deseada, se instala alg/n elemento qu!mico para reducir la resistividad del terreno y alcanzar as!, la resistencia a tierra requerida. 5
En la siguiente figura se muestra el diagrama de un sistema puesta a tierra electrónico.
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%uesta a tierra de protección atmosférica. 0omo su nombre lo indica, se destina para drenar a tierra las corrientes
producidas por descargas atmosféricas 12&3)4 sin mayores da*os a personas y propiedades. )e logra con una malla metálica igualadora de potencial conectada al planeta tierra que cubre los equipos o edificios a proteger o se conforma con electrodos tipo copper5eld y cable tipo pararrayos de cobre 0lase 6 de +7 ilos. •
%uesta a tierra para sistemas eléctricos.
Los sistemas eléctricos se conectan a tierra con el fin de limitar la tensión que pudiera aparecer en ellos, por estar e#puestos a descargas atmosféricas, por intercone#ión en casos de fallas con sistemas de cone#iones superiores, o bien, para limitar el potencial 6
má#imo con respecta a tierra, producto por la tensión nominal del sistema. Este tipo de cone#ión se denominará Tierra de )ervicio. )e conectarán a tierra los elementos de la instalación necesarios como ser8
Los neutros de los transformadores, que lo precisan en instalaciones o redes con
neutro a tierra de forma directa o a través de resistencias o bobinas. El neutro de los alternadores y otros aparatos o equipos que lo precisen. Los circuitos de baja tensión de transformadores de medida. Los limitadores, descargadores, autoválvulas, pararrayos, para eliminación de
sobretensiones o descargas atmosféricas. Los elementos de derivación a tierra de los seccionadores de puesta a tierra.
". Mediciones de tierras
Las caracter!sticas eléctricas del terreno en el cual se entierran los electrodos de una instalación de tierra es la principal causa de las indeterminaciones que se presentan en el estudio de una instalación. & los efectos del comportamiento eléctricos del terreno nos interesa su resistividad, más ésta depende de la naturaleza qu!mica de la umedad presente, de la temperatura y de otras causas. "o se puede pensar de un tratamiento anal!tico del problema sin antes considerar un gran n/mero de variables y valoraciones, las cuales dadas las diversas cualidades del terreno, no son de segura determinación. %odemos aconsejar que el mejor método de afrontar esta situación sea proceder por la v!a e#perimental y de efectuar una serie de mediciones sistemáticas en todas las posibles condiciones. )e procede a medidas sistemáticas de la resistencia total de instalación de tierra o se busca la resistencia deseada, aumentando el n/mero de electrodos, la profundidad del entierro o con otro medio que la práctica lo aconseje, se trata de llegar a un valor inferior al má#imo, que permita contener el potencial de tierra entre valores adecuados no peligrosos. •
0onstitución del terreno. La qu!mica del terreno, la cantidad y la calidad de las sales minerales en el
contenido pueden influir de modo notable en su resistividad. Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de umos, son aquellos que presentan las resistividades más bajas y adicionalmente las menores variaciones en el tiempo. Los terrenos 7
arenosos, pedregosos y rocosos presentan resistividad muy elevada y var!an sus caracter!sticas en el tiempo, seg/n la temperatura y la umedad, en l!mites muy amplios. En la siguiente tabla están e#puestos los valores de la resistividad de los materiales más importantes que construyen los terrenos.
Los materiales que tienen los más altos valores de resistividad se pueden considerar como aislante, y los materiales que tengan los más bajos valores de resistividad como conductores no presentando problemas de dimensionamiento de los electrodos, mientras que s! originan problemas de protección personal. También se a observado que muestras de tierra de la misma clase, pero de diferentes lugares tienen distinta resistividad, la que puede variar asta por un factor de +-- a (--9. :e esto se concluye que el problema de tierra está estrictamente relacionado con el tipo particular de tierra en el cual debe efectuarse la cone#ión a tierra. #. E$ectos de la %umedad & temeratura sobre la resistividad del terreno.
;ndudablemente
la
resistividad
del
terreno
está
muy
influenciada
primordialmente por la umedad y en menor medida no menos importante por su temperatura, son tan significativos estos efectos, que la resistencia del terreno disminuye con el aumento de la umedad y con el incremento de la temperatura. El conocimiento de la acción de la umedad y temperatura sobre la resistencia del electrodo para puesta a tierra resulta indispensable para que una instalación de tierra conserve en el tiempo sus caracter!sticas. •
Efectos de la umedad y sales disueltas sobre la resistividad del terreno. %ara los efectos prácticos el resultado de la resistencia por la acción de la
umedad y la temperatura nos obliga a mantener presente oportunos coeficientes para la 8
determinación de la resistencia que debemos asignar a los electrodos con el fin de un buen funcionamiento en las instalaciones a tierra. )e podr!a omitir el factor de temperatura, para no efectuar tanto la influencia de la umedad en el terreno Las variaciones de resistividad con la profundidad puede ser modificada debido a los estados de umedad del terreno, cuando por ejemplo, después de un larga periodo de sequ!a, un temporal umedece la capa superficial del terreno, dejando seca la capa inferior, la mayor parte de la corriente que eventualmente se distribuye acia los dispersores, eligiendo un camino de menos resistencia, influirá /nicamente la capa superficial, creando alrededor de los dispersores peligrosas gradientes superficiales. En la siguiente Tabla basada en el Efecto de la umedad en la resistividad del Terreno, se e#iben los efectos t!picos del agua sobre el terreno, en ella se puede observar que al estar secos en ambos tipos de terreno las resistividades son alrededor de 6---
Tenga presente que el agua pura tiene una resistividad infinitamente alta. Las sales presentes en forma natural en el terreno o disueltas en agua, bajan la resistividad del terreno. )i analizamos en forma análoga a la umedad, los efectos que causan las sales en el terreno, podemos percibir que basta con una peque*a cantidad de una sal para reducir la resistividad del terreno de manera significativa. En ella para un -9 de sal la resistividad es de unos 6-,7 >ilo om=cm, se aprecia un decrecimiento drástico en la resistividad del terreno que se puede determinar por un factor de alrededor de 6--9
veces del valor original cuando el terreno tiene un porcentaje del +-9. Este efecto puede ser /til para proporcionar un buen electrodo de baja resistencia, en lugar de un sistema de electrodos elaborado y caro.
& continuación se observen la siguiente tabla basada en los efectos de la sal en la resistividad del terreno.
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Efectos de la temperatura sobre la resistividad del terreno.
"o se a recopilado muca información sobre los efectos de la temperatura. :os ecos conducen a la conclusión lógica de que un incremento en la temperatura disminuirá la resistividad8
El agua presente en el terreno principalmente determina la resistividad 'n incremento en la temperatura disminuye notoriamente la resistividad del agua. Los resultados que se muestran en la Tabla de Efectos de la Temperatura en la
2esistividad del Terreno confirman estos ecos. bserve que cuando se congela el agua en el terreno, la resistividad salta en forma apreciable? el ielo tiene una resistividad alta. En la siguiente tabla, note que una ca!da de temperatura de @A grados 1de BCD a 6ACD4 ocasiona un aumento de @- veces en resistividad.
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'. Tensión de aso & tensión de contacto. Tensión de paso. •
)eg/n las normativas de la ;EEE B6, la Tensión de %aso es la diferencia de potencial entre dos puntos de la superficie del terreno, separados por una distancia de un metro, en la dirección del gradiente de potencial má#imo. En la siguiente figura se muestra el diagrama de la tensión de paso
)u valor permisible viene dado por8 Ep=
165 + ρs
√ t
:ónde8 Ep Tensión de %aso %ermisible en voltios. Fs 2esistividad de la superficie del terreno en 1G=m4 t :uración má#ima de falla en segundos.
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Tensión de contacto.
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La normativa ;EEE B68 define la tensión de contacto o de toque como sigue? La tensión de contacto es la diferencia de potencial entre una estructura metálica puesta a tierra y un punto de la superficie del terreno a una distancia igual a la distancia orizontal má#ima que pueda alcanzar una persona, o sea , apro#imadamente, 6 metro.
)u valor permisible viene dado por8 Et =
•
165 + 0.25 ρs
√ t Tensiones 2eales de %aso y de contacto
La tensión de paso real en una subestación está dada por8 Ep= k s∗k i
ρ∗ I L
En donde8 Ep Tensión de paso real en voltios. Hs 0oeficiente que tiene en cuenta, la influencia combinada de la profundidad y del espaciamiento de la malla. Hi 0oeficiente de irregularidad del terreno. F 2esistividad del suelo 1G=m4 12
; 0orriente má#ima de falla 1&mp4 L Longitud total del conductor 1m4 •
La tensión de contacto real está dado por8
Ep= k m∗ k i
ρ ∗ I L
:ónde8 Et Tensión de contacto en voltios. H m 0oeficiente que tiene en cuenta las caracter!sticas geométricas de la malla. (. E$ectos $isioló)icos del asaje de la corriente or el cuero *umano! 'mbral de sensibilidad.
El establecimiento de los l!mites a partir de los cuales la corriente eléctrica resulta peligrosa presenta notables dificultades. %uede dar idea de ello las dispersiones que aparecen en la determinación del umbral de sensibilidad sobre el paso de la corriente eléctrica, definido como el valor de la intensidad m!nima que percibe una persona al acer circular una corriente de mano a mano.
'mbral de no soltar. Este fenómeno tiene lugar por la e#citación de nervios y m/sculos fle#ores bajo
la acción de la corriente eléctrica, de forma que al quedar contra!dos, inabilitan al individuo a dejar el conductor, toda vez que los e#tensores son menos potentes que los fle#ores. %or estudios realizados se a comprobado que el se#o es una variable influyente. •
afectan grandes funciones fisiológicas, como la respiración y la circulación. En efecto para una intensidad del orden de +- a (- m&, la contracción muscular puede difundirse y alcanzar los m/sculos respiratorios 1intercostales, pectorales y diafragma4, originando 13
una parada circulatoria 1central o periférica4, que ocasiona una asfi#ia con cianosis, para desembocar prontamente, en un estado de muerte aparente y en una parada circulatoria. •
Dibrilación ventricular y su umbral. :esgraciadamente, no sucede lo mismo cuando el estado de muerte aparente se
debe a una fibrilación ventricular. Esta situación está caracterizada por una contracción anárquica y asincrónica de cada una de las fibras del miocárdio, lo que se traduce, velozmente, en una parada circulatoria, y una anó#ia que alcanza primero al cerebro, y después al mismo corazón. Este umbral, es variable con las condiciones del sujeto, con los parámetros del accidente 1tensión y tipo de contacto4, pero fundamentalmente con8
Trayectoria seguida de la corriente. El valor de la resistencia del organismo. El tiempo de paso, y la amplitud de la corriente. tro parámetro influyente a considerar, es la frecuencia de la corriente, los umbrales son netamente más elevados cuando se trata de corriente continua. Entre 6- y 6--- $z, los umbrales son poco modificables, pero se elevan
rápidamente cuando la frecuencia aumenta. +. M,todos ara reducir la resistencia de tierra. 0uando la resistividad del terreno es muy elevada, y en donde los electrodos no pueden enterrarse profundamente debido a rocas se utilizan diversos métodos para mejorar las condiciones. En general todos los métodos tratan de crear una mejor conductividad en las primeras capas o cilindros de tierra que rodean al electrodo, en donde la superficie conductora es peque*a. El tratamiento también es beneficioso al independizar el valor de resistencia obtenida de las variaciones climáticas. En la práctica, cuando encuentra que la resistencia de su electrodo a tierra no es suficientemente baja, Los métodos más comunes para mejorarla son8
'sando una varilla de mayor diámetro. 'sando electrodos más largas 0olocando dos, tres o más electrodos en paralelo Electrodos profundos 2educción de la resistividad del suelo tratando qu!micamente el terreno. &gregado de sales simples. &gregado de coque. &porte de sales IgelI. 14
;nyección de bentonita. ;nyección de resinas sintéticas.
La duración de éste sistema son evidentemente más largos que el método anterior, presentando también peligro de corrosión. 2odear el dispersor de carbón vegetal triturado. Este método se puede aplicar con el electrodo de planca. )i bien mantienen los efectos en el tiempo, presenta los mismos inconvenientes de corrosión. •
Tratamiento qu!mico del suelo
El tratamiento qu!mico del suelo es un buen modo para mejorar la resistencia a tierra cuando no se pueden enterrar más profundamente los electrodos de tierra 1a causa de roca dura subyacente, por ejemplo.4 <étodo de trinceras para la preparación del terreno
El tratamiento qu!mico no es un modo permanente de mejorar su resistencia a tierra. Los qu!micos son deslavados gradualmente por la lluvia y drenaje natural a través del suelo. :ependiendo de la porosidad y la cantidad de lluvia, el periodo de reemplazo var!a. %ueden pasar varios a*os antes que sea necesario otro tratamiento. El tratamiento qu!mico también tiene la ventaja de reducir la variación estacional en la resistencia que resulta del mojado periódico y secado del suelo. )in embargo, solo debe considerar este método cuando los electrodos m/ltiples o profundos no sean prácticos. 15
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apropiado para rodear el electrodo enterrado. %ara situaciones especiales, ay diversos materiales, como los siguientes8
Jentonita8 Es una arcilla color pardo, de formación natural, que es levemente acida, con un
p$ de 6-,@. %uede absorber casi cinco veces su peso de agua y de este modo, e#pandirse asta treinta veces su volumen seco. )u nombre qu!mico es montmorillonita sódica. En terreno, puede absorber umedad del suelo circundante y ésta es la principal razón para usarla, ya que esta propiedad ayuda a estabilizar la impedancia del electrodo a lo largo del a*o. Tiene baja resistividad apro#imadamente @ om = metro y no es corrosiva. Jajo condiciones e#tremadamente secas, la mezcla puede resquebrajarse ofreciendo as! poco contacto con el electrodo. La Jentonita es de carácter ti#otrópica y por lo tanto se encuentra en forma de gel en estado inerte. La Jentonita se usa más a menudo como material de relleno al enterrar barras profundas. )e compacta fácilmente y se adiere fuertemente.
reemplaza el agregado normal usado en la mezcla del concreto. Tiene algunas propiedades similares a la bentonita, es decir, provoca poca corrosión con ciertos metales y tiene baja resistividad. Due desarrollada como un proceso que se inició en 6K+ cuando ingenieros de
)u aplicación se centra para encerrar electrodos en perforaciones o espacios en el interior de rocas. También es probable que los espacios se llenen parcialmente con otros materiales tales como concreto para reducir la cantidad de material patentado que se requiera. "ormalmente se considera que la
3eso. casionalmente, el sulfato de calcio 1yeso4 se usa como material de relleno, ya
sea solo o mezclado con Jentonita o con el suelo natural del área. Tiene baja solubilidad, por lo tanto no se desprende fácilmente lavándolo y tiene baja resistividad 1apro#imadamente @= 6- om=metro en una solución saturada4. Es virtualmente neutro, con un valor de p$ entre ,+ y ,K. )e presenta en la naturaleza en forma natural, de modo que su uso generalmente no provoca dificultades ambientales. )e asegura que no causa corrosión con el cobre, aunque algunas veces el peque*o contenido de )) a causado preocupación por su impacto en estructuras de concreto y fundaciones 1cimientos4. Es relativamente barato y normalmente se mezcla con el terreno para formar un relleno alrededor del electrodo de tierra. )e asegura que ayuda a mantener una resistividad relativamente baja durante un largo per!odo de tiempo, en áreas donde las sales e#istentes en la vecindad se disuelvan rápido por movimiento de agua. )in embargo, el eco de que el material no se disuelva fácilmente moderará los beneficios obtenidos, ya que no penetrará difundiéndose en la tierra. Esto significa que el efecto beneficioso estará localizado digamos en una.
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