Saludos.
Espero se encuentren muy bien estimados lectores, A continuación les comparto el más reciente escrito en Tecnología Eléctrica, un post que trata sobre: Sistemas de Puesta a Tierra.
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INTRODUCCIÓN
Todas las instalaciones eléctricas de distribución, están vinculadas funcionalmente con el Sistema de Puesta a Tierra (SPT).
Esta vinculación se puede materializar de diversas formas, cada una de las cuales hará que la instalación eléctrica presente ciertas características frente a las perturbaciones que puedan suceder y la acción de las protecciones. Entendiendo como tal a los contactos que puedan realizar los seres vivos con cables activos o en caso de un cortocircuito, así como ante eventos de sobretensiones eléctricas.
Ante esto descrito anteriormente uno se puede preguntar entonces:
¿Cuáles son las funciones de los Sistemas de Puesta a Tierra?
·Garantizar una conexión de baja resistencia entre los equipos eléctricos y electrónicos con las partes metálicas cercanas, con el fin de minimizar el peligro para el personal en el caso de una falla.
· Permitir el control de las tensiones peligrosas, mientras los relés, fusibles o interruptores despejan la falla; mediante una conexión de baja resistencia con la tierra (suelo) para crear una trayectoria de retorno efectiva a la corriente de falla.
· Proporcionar un plano de referencia común, de una impedancia relativamente baja entre los dispositivos electrónicos, circuitos y sistemas.
· Brindar una trayectoria conductiva preferencial para encausar sin riesgo, las corrientes debidas a electrostática o a los rayos, entre un objeto expuesto y el suelo.
· Reducir los efectos de acople en modo común.
Frecuentemente, el cumplimiento de las funciones de los SPT genera un conflicto en términos de los requerimientos de operación, de las técnicas de implantación e incluso de los requerimientos de seguridad.
Para obtener una alta confiabilidad de los equipos y de los sistemas en general, así como una seguridad adecuada, se deben diseñar apropiadamente los SPT, partiendo de un buen entendimiento de su comportamiento electromagnético.
Requisitos mínimos que deben poseer los Sistemas de Puesta a Tierra
· El valor de la resistencia debe ser el adecuado para cada tipo de instalación.
· La variación de la resistencia debida a cambios ambientales debe ser mínima.
· Su vida útil debe ser mayor de 20 años.
· Debe ser resistente a la corrosión.
· Su costo debe ser el más bajo posible, sin que se comprometa la seguridad.
· Debe permitir su mantenimiento periódico.
Tales requisitos de los SPT no solo se tratan de las conexiones entre conductores sino que estos y los elementos y aparatos que forman parte de este deben cumplir los requerimientos de las normas respectivas y especificaciones técnicas con el fin de obtener un funcionamiento seguro y eficaz.
Ejemplo de Diseño del sistema de puesta a tierra.
El valor de la resistencia de la puesta a tierra para un ambiente con características específicas de un laboratorio se selecciona en base a las características de la instalación tal como se muestra en la Tabla 1
Tabla 1.- Valores de resistencia de puesta a tierra. [1]
Aplicación
Valores máximos de resistencias de puesta a tierra.
Instalaciones industriales de gran potencia
10 Ω
Industrias pequeñas
5 Ω
Hospitales.
2 Ω
Equipos electrónicos altamente sensibles.
1 Ω
Neutro de acometida en baja tensión.
25 Ω
Para el laboratorio por tratarse de una instalación de poca potencia se una resistencia de puesta a tierra de 5 Ω como máximo.
El cálculo de la resistencia de puesta a tierra de
electrodos verticales de 20 mm de diámetro se puede emplear la expresión:
Donde:
r - Resistividad del suelo (W-m).
L - Profundidad del electrodo (m).
La resistividad de la tierra en el laboratorio es de 116 W-m. [2], Por tanto la resistencia de un electrodo de 2 m de longitud totalmente enterrado tiene una resistencia de:
Los cálculos arrojaron que era necesario utilizar 14 electrodos separados 2,5 m entre ellos formando un polígono. Para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra de varios electrodos en paralelo se emplea la expresión:
Donde:
RP - Resistencia del grupo de electrodos (Ω)
R - Resistencia de un electrodo (Ω).
NV - Coeficiente de apantallamiento= 0,55 en este caso (Tabla 2).
n - Número de electrodos.
La resistencia de uno de los conductores de enlace, empleando un cable 1/0 de cobre trenzado se puede calcular por la expresión:
Donde:
r - Resistividad del suelo (W-m).
L - Profundidad del conductor de enlace (m).
Tabla 2.- Coeficientes de apantallamiento para electrodos verticales y horizontales. [3]
Relación S/L
1
2
3
Electrodos en círculo o polígono
n
NV
NH
NV
NH
NV
NH
3
0,75
0,50,
0,77
0,60
0,88,
0,75
5
0,69
0,45
0,75
0,55
0,85
0,70
6
0,62
0,40
0,73
0,48
0,80
0,64
8
0,58
0,36
0,71
0,43
0,78
0,60
10
0,55
0,34
0,69
0,40
0,76
0,56
20
0,47
0,27
0,64
0,32
0,71
0,45
30
0,43
0,24
0,60
0,30
0,68
0,41
50
0,40
0,21
0,56
0,28
0,66
0,37
70
0,38
0,20
0,54
0,26
0,64
0,35
100
0,35
0,19
0,52
0,24
0,62
0,35
Electrodos en línea recta
2
0,85
0,82
0,90
0,90
0,95
0,95
3
0,78
0,80
0,86
0,92
0,91
0,95
4
0,74
0,77
0,83
0,89
0,88
0,92
5
0,70
0.74
0,81
0,86
0,87
0,90
6
0,63
0,71
0,77
0,83
0,83
0,88
10
0,59
0,62
0,75
0,75
0,81
0,82
15
0,54
0,50
0,70
0,64
0,78
0,74
20
0,49
0,42
0,68
0,56
0,77
0,68
30
0,43
0,31
0,65
0,46
0,75
0,58
Al igual que para los electrodos la resistencia de puesta a tierra del paralelo de todos los cables de enlace está dado por:
Donde:
R - Resistencia de un cable de enlace (W).
RC - Resistencia de puesta a tierra de los cables de enlace (W).
NH - Coeficiente de apantallamiento para el cable de enlace= 0,34 en este caso (Tabla 2).
En este caso:
La resistencia total del conjunto está dada por:
Para este caso:
El área disponible en el laboratorio no permite instalar más electrodos por lo tanto se acepta este valor de resistencia de puesta a tierra como válido, el que en la práctica debe ser menor pues la medición de la resistividad se efectuó en una época de sequía extrema.
En caso de que en un futuro se instalan equipos que requieren resistencias de puesta a tierra de un Ohm o menores como es el caso por ejemplo de los equipos de medición de descargas parciales se recomienda el empleo de suelos artificiales, en específico la Hidrosolta de 30 Ω-cm, [32] muy empleada en la construcción de sistemas de puesta a tierra de instalaciones donde no se dispone de área suficiente para instalar un malla de tierra.
Dada la agresividad del terreno en la zona de instalación del laboratorio de alta tensión se recomienda emplear para el sistema de puesta a tierra electrodos de coperweld marca KLK, PL 20 RU, LISA DE 2000x14, 6 mm [4] que está constituida por un alma de acero al carbono de dureza Britney entre 189y 220 H con un recubrimiento de cobre electrolítico mínimo de 0,3 mm.
Para el empalme entre el conductor de enlace y los electrodos de tierra lo más recomendable sería el empleo de soldadura exotérmica pero dado lo costoso de las mismas y el no disponerse en el IUTC personal adiestrado en su empleo se seleccionó la grapa para electrodos de tierra de la marca KLK, KB-1625 que admite conductores de diámetro desde 25 hasta 70 mm2 (el cable de tierra propuesto 1/0 de cobre trenzado tiene 53,48 mm2) que se muestra en la Fig. 3.5
Dimensiones en (mm)
A
B
C
T
50
40
6
M10
Fig. 1.- Grapa de tierra seleccionada marca KLK, KB-1625. [4]
Como terminal conector de tierra se seleccionó también el de la marca KLK, EC 70-6 que admite 6 conductores de diámetro desde 25 hasta 70 mm2 del tipo que se muestra en la Fig. 2. Este conector garantiza la equipotencialidad necesaria para todos los equipos del laboratorio debe ser instalado en la pared posterior del laboratorio a 30cm del altura respecto al piso.
Fig. 2.- Terminal conector de tierra marca KLK, EC 70-6. [33]
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Referencias:
1.- Portales eléctricos.com, Articulo 15 “Puesta a Tierra”. Disponible en: http://portalelectricos.com/retie/cap2art15.php. [1]
2.- Procesos de la investigación realizados por el autor y revisado por el tutor, Venezuela-Cabimas 2013. [2]
3.- Sistemas de puesta a tierra TEMA 8, CONFERENCIA Nº 30. ASIGNATURA: Alta tensión. Material Didáctico. Dr. Juan Almirall Mesa. La Habana-Cuba. [3]
4.- Catalogo de materiales de puesta a tierra de la KLK. [4]
5.- Material didáctico para clases.