Puesta a tierra de sistemas eléctricos 9 marzo 2012 Sección: Academia Sección: Academia,, Portada El objetivo principal del sistema es brindar un punto de desacarga para las partes sin corriente. El correcto funcionamiento de este tipo de protecciones garantiza seguridad a sus usuarios. Con los años, debido a su importancia, se han ido mejorando. Existe una norma que las regula, pero eventualmente no se cumple. Por Antonia Tapia
Puesta a tierra del neutro e instalación del puente puente de unión principal En la actualidad, de diferentes formas, todas las personas nos vemos involucradas con la electricidad. En nuestras casas u oficinas, estamos en constante relación con ella. Entender su comportamiento y aplicaciones aporta conocimiento relevante. La puesta a tierra en sistemas eléctricos es una de las tantas formas de protección existentes, ya que se puede orientar hacia la protección de equipos eléctricos, señales electrónicas o protección atmosférica.
El ingeniero contratista, Roberto Ruelas Gómez, afirma que la puesta a tierra en sistemas eléctricos es sumamente necesaria, ya que, primeramente, resguarda la seguridad de las personas que están cerca de las instalaciones y, en segundo lugar, protege sus posesiones. De igual forma, los ingenieros José López Hernández y Aristeo Navarro Damián agregan que también garantiza la correcta operación de las protecciones de sobrecorriente, establece un potencial de referencia y mejora la confiabilidad del servicio de suministro eléctrico.
Ley de Ohm
El origen de este tipo de protección se oficializó a principios del siglo pasado. A partir de 1913, el National Electrical Code (NEC)
La corriente eléctrica que circula en un circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia eléctrica.
obligó a que l os sistemas eléctricos con una tensión mayor a 150 volts, medidos de fase a tierra, fueran puestos a tierra. La palabra en inglés “grounding” se tradujo al español como “puesta a tierra” y la palabra “grounded”, como “puesto a tierra”.
Esta distinción es importante, ya que de allí deriva la función que tiene cada una de ellas en un sistema eléctrico.
I=V
Dentro del sistema general de puesta a tierra existen otros
R
subsistemas, como “puesta a tierra para la protección frente a
descargas atmosféricas eléctricas”, “puesta a tierra para la
I=Amperes
seguridad eléctrica” o también llamada “Tierra del equipo” o “Tierra de seguridad”; “Tierra de alta frecuencia”, que no se rige por las
V=Volts
mismas reglas de la tierra de baja frecuencia; “Puesta a tierra para
la pr otección frente a las interferencias electromagnéticas” (EMI,
R=Resistencia
por sus siglas en inglés), “frente a interferencias de radiofrecuencia” (RFI, por sus siglas en inglés) y “frente a descargas electrostáticas” (ESD, por sus siglas en inglés), y
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“Puesta a tierra para instrumentación y controles”.
Actualmente, la tecnología de estado sólido, basada en electrónica moderna, sigue evolucionando y se hace más sensible a los ruid os
Javier Oropeza Ángeles, “El libro de oro de puesta a tierra universal” F uente:
eléctricos y a la contaminación electromagnética, lo que precisa de un sistema de puesta a tierra libre de ruidos y compatibilidad electromagnética de todos los equipos y sistemas. La puesta a tierra se utiliza en cualquier tipo de instalaciones, sean éstas industriales, comerciales o residenciales. Los objetivos de esta forma de protección consisten en habilitar la conexión a tierra e n sistemas con neutro a tierra, proporcionar el punto de descarga para las carcasas, armazón o instalaciones; asegurar que las partes sin corriente, como armazones de los equipos, estén siempre a potencial de tierra, aun en el caso de fallar en el aislamiento, y proporcionar un medio eficaz para descargar los alimentadores o equipos antes de proceder en ellos a t rabajos de mantenimiento. El ingeniero Pablo Díaz subraya que la puesta a tierra eléctrica es la sección de mayor importancia de la norma eléctrica en un sistema eléctrico de distribución; pero la más malinterpretada y malentendida, la menos conocida y la que provoca mayores controversias: “sin mayores dudas, la sección más violada de los códigos eléctricos nacionales”, asegura.
La puesta a tierra de sistemas eléctricos limita cualquier voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o de contactos no i ntencionales con cables de voltajes más altos. Para ello se utiliza un conductor apropiado que se conecta a la tierra.
Tipos de fallas en un sistema eléctrico
El funcionamiento normal de un sistema eléctrico desaparece después de ocurrir una falla eléctrica. Las fallas eléctricas llevan a un sistema eléctrico a condiciones anormales de opera ción, con voltajes y corrientes elevadas en ciertos puntos del sistema. Dichas condiciones se pueden evitar utilizando diversos equipos de protección.
Falla trifásica
Falla entre dos fases
Falla entre dos fases a tierra
Falla de tres fases a tierra
Falla de fase a tierra
Falla de fase a tierra a través de una impedancia
Fuente: Javier Oropeza Ángeles, “El libro de oro de puesta a tierra universal”
Objetivo de la puesta a tierra de un sistema eléctrico
A) Estabilizar el voltaje a tierra B) Proveer un camino para que circule l a corriente de falla a tierra, lo cual permitirá que l os dispositivos de protección contra sobrecorriente operen para liberar la falla
Fuente: Javier Oropeza Ángeles, “El libro de oro de puesta a tierra universal” Cabe destacar que en este tipo de instalaciones es necesario estar al tanto de las características de la línea, intensidad y tensión a la que la puesta será usada. También, es i mportante conocer el funcionamiento de los electrodos en sus resistencias durante el paso de la corriente eléctrica. Este tipo de protecciones es relevante para un correcto y mejor funcionamiento del sistema. Con ellas se limitan los riesgos, se ahorra en costos y se asegura un mejor rendimiento.
Beneficios
En los últimos años, a este tipo de protecciones se le ha dado cierta importancia y gran prioridad debido a las pérdidas millonarias que ocasiona la caída total de un sistema, la cual genera daños catastróficos en los equipos y accidentes por miles, causados por choques eléctricos en seres humanos. En ese sentido, los ingenieros López y Navarro destacan que una de las principales ventajas que ofrece este tipo de protección es brindar seguridad al personal de instalación, en particular, y al público en general. Por otro lado, al evitar fallas se ahorra presupuesto. Al respecto, el ingeniero
Camino de la corriente en el cuerpo humano
Ruelas ejemplifica: “Si un motor eléctrico
de una bomba de agua sufre una falla, de no ser por el cable de puesta a tierra, la tubería del agua podría energizarse, poniendo en peligro a las personas; por otro lado, el motor sufriría un daño irreparable. Con ese cable, el daño se reduce al conductor mismo donde se originó la falla; por lo que un buen taller podría repararlo sin tener que rebobinar el motor”.
Por su parte, el ingeniero Díaz afirma que más del 70 por ciento de los problemas dentro de un sistema eléctrico se deben a violaciones del Artículo 250, “Puesta a Tierra”, y a errores de cableado.
El Artículo 250 de la Norma Oficial Mexicana, NOM-001-SEDE-2005, destaca la importancia de ofrecer las condiciones adecuadas de seguridad para las personas frente a los choques eléctricos, sobrecorrientes, corrientes de falla, sobretensiones y todos los riegos que se p uedan presentar en la utilización de la energía eléctrica. Según las estadísticas, la muerte por electrocución se encuentra en cuarto lugar entre las causas de accidentes industriales mortales. “La mayoría de estos accidentes hubieran podido ser evitados con el conocimiento básico de una puesta a tierra adecuada”, r eflexiona Díaz.
Por otro lado, Ruelas agrega que es importante que las conexiones sean sólidas para que exista un buen contacto y que las mismas se efectúen con conectores o tornillos. “No es válido hacer entorches con la mano”.
La protección de puesta a tierra limita los riesgos, permite ahorrar en gastos, asegurar un mejor rendimiento y proporciona seguridad al personal y público en general Elementos y evaluación. Respetar valores y adecuarse a las normas
Poner a tierra el neutro (PTN) es una conexión entre los neutros de transformadores y generadores, y la malla general de puesta tierra. Estos puntos de conexión se ponen a tierra sólidamente o a través de una resistencia baja o alta, una reactancia baja o alta, transformadores o autotransformadores.
Los elementos que se deben tener en cuenta al momento de efectuar el diseño de una puesta a tierra son el área de la planta en la que se encuentra, los planos del sitio y la del sistema de tierra; pruebas de la resistividad del terreno, medición del valor de resistencia de puesta a tierra y tamaño de los conductores. De igual forma, es preciso determinar las tensiones de toque para los distintos sistemas, sean estos de baja, media o alta tensión. También es importante precisar las configuraciones geométricas del sistema electrodo de puesta a tierra, como malla de t ierra, varillas, anillos de tierra, radiales o cualquier electrodo existente permitido por la Norma. El ingeniero Díaz puntualiza que es necesario respetar el valor de resistencia a tierra requerido por la Norma y la industria, calculado durante el diseño y medido con un telurómetro de un sistema de tierra existente. Además, considera relevante determinar corrientes de falla para indicar el tamaño de los conductores de puesta a tierra y tierra de seguridad, así como conocer el GPR o elevación de potencial de suelo, especialmente en sistemas de media y alta tensión. En e l mismo orden, indica que se deben realizar cálculos de tensiones (tensión de toque y tensión de paso) para el diseño de una malla de tier ra para una subestación. “Con el resultado de esos valores se realiza el diseño preliminar de una malla de tierra”, explica. Métodos de puesta a tierra en sistemas eléctricos
Obtención del sistema con neutro Para su obtención se utilizan como fuente generadores o transformadores con los devanados conectados en la estrella (Y). 1. Puesta a tierra sólidamente
Se refiere a la conexión del neutro del generador o del transformador puesto directamente a tierra.
•
Sistema sólidamente puesto a tierra
2. Puesta a tierra con resistencia
En ella, el neutro es conectado a tierra por medio de una resistencia. En este método las tensiones de fase a tierra que existen durante una falla son casi iguales que para un sistema no puesto a tierra, excepto para los sobrevoltajes transitorios.
• Sistema puesto a tierra a través de una resistencia
3. Reactancia de puesta a tierra
Un reactor es conectado entre el sistema del neutro y tierra.
• Sistema puesto a tierra a través de una reactancia
4. Neutralizador de falla a tierra
Es un reactor conectado entre el neutro de un sistema y tierra, y es seleccionado relativamente con un alto valor de reactancia. Cuando la corriente de falla a tierra que puede circular en un sistema puesto a tierra está en función de la
Esquina de un sistema en delta
reactancia del neutro, la magnitud de la corriente de falla es muchas veces usada como criterio para describir el grado de la puesta a tierra. La puesta a tierra de sistemas que no utilizan el neutro se realiza en los transformadores conectados en delta que no proveen acceso al sistema del neutro.
Puesta a tierra de un sistema delta en la mitad de un devanado
5. Autotransformadores
Frecuentemente son utilizados en sistemas de transmisión y distribución. Se usan para transformar el voltaje. Reducen el costo del transformador o evitan l a creación de un nuevo sistema de puesta a tierra.
• Autotransformador alimentado por un sistema puesto
a tierra
6. Trasformadores estrella-estrella
Esta configuración del transformador es utilizada en sistemas de distribución de utilización sólidamente puestos a tierra. También y con particular atención, en sistemas no puestos a tierra para prevenir la ferrosonancia cuando los interruptores de suministro pueden ser operados por un polo al mismo tiempo.
• Transformador estrella -estrella puesto a tierra
Cálculo y evaluación
En primer lugar, una puesta a tierra requiere exploraciones geológicas para determinar la resistividad del terreno. “Existen más de 45 parámetros importantes para la determinación de la resistividad o conductividad del
terreno, algunos de carácter químico, mecánico, eléctrico, electrónico, iónico… y sería necesario e l dominio de disciplinas como geología, geoquímica, geofísica, petrografía, minerología, magnetometría, litogeoquímica, petrografía metamórfica, lo cual inhabilita a cualquier persona para ser experto en puesta a tierra”, sostiene el ingeniero Díaz. Este valor de resistividad del terreno es necesario para la aplicación no sólo de ecuaciones complejas para el diseño de un sistema de puesta a tierra, que a cierto nivel requieren la asistencia de un programa computacional, sino para las ecuaciones prácticas/empíricas que han sido d esarrolladas para obtener una idea preliminar de la resistencia a tierra de la configuración bajo consideración. Estándares como IEEE 80, por ejemplo, ofrecen 200 páginas y 90 ecuaciones para el diseño de una malla de tierra para una subestación. En ese sentido, los ingenieros López y Navarro indican que el rendimiento de una malla general de puesta a tierra se evalúa en función del valor de su resistencia. Díaz complementa que la puesta a tierra del sistema eléctrico es la que se efectúa en las acometidas y tiene que ver con el tamaño del conductor y con la tabla que aparece en 250-94 de la NOM-001-SEDE-2005. Propiedades de los conductores de puesta a tierra
Exceder el valor térmico de los conductores tiene los siguientes efectos: A ) Incrementa la temperatura del conductor y, por consiguiente, empezará a modificar las propiedades de su aislamiento en caso que el conductor de puesta a tierra se instale con ai slamiento. Si se instala sin ai slamiento, puede dañar a los conductores adyacentes cuando transporta la corriente de fa lla a tierra B ) Puede fundir el conductor de puesta a tierra, creando con ello una instalación eléctrica peligrosa, debido a que los dispositivos de protección contra sobrecorriente no operarían y no liberarían a tierra
Fuente: Javier Oropeza Ángeles, “El libro de oro de puesta a tierra universal” “Es importante, una vez diseñado el sistema y después de su instalación, realizar la medición de resistencia a
tierra del sistema electrodo de tierra. Este valor debe adherirse tanto a la norma eléctrica, como a los requerimientos de la industria. Generalmente, la norma exige un valor de resistencia a tierra igual o menor a 25 ohmios para electrodos fabricados, pero usualmente la industria requiere cinco ohmios o menor, y un ohmio o menor en áreas de alta incidencia de rayos”.
De igual forma, el i ngeniero resalta que el valor de resistencia a tierra debe ser mantenido con periodicidad, especialmente en épocas de sequía: “Es imperativo que se efectúen mediciones por lo menos cuatro veces al año. La mayoría de los problemas en los sistemas eléctricos se deben a la falta de mantenimiento”, subraya. “Es imperativo realizar mediciones, mínimo, cuatro vece s por año. La mayoría de los problemas se deben a falta de mantenimiento”
Cómo instalar un buen electrodo de puesta a tierra
Utilizar un electrodo de p uesta a tierra largo dentro d el terreno • Resistencia contra profundidad del electrodo de puesta a tierra
Utilizar electro dos de pu esta a tierra múltiples • Electrodos de puesta a tierra en paralelo
Tratamiento del terreno • Tratamiento químico del terreno
Fuente: Javier Oropeza Ángeles, “El libro de oro de puesta a tierra universal”
El valor de resistencia a tierra se determina con un telurómetro o terrómetro de tres terminales. La resistencia a tierra se mide utilizando varios métodos aceptados por la industria, como el “Método del 62%” y el “Método de Caída de Potencial”. Evitar accidentes no tiene precio
Como en cualquier tipo de instalación, trabajar con materiales de buena calidad, profesionales capacitados y apegados a la norma no sólo garantiza la seguridad de los trabajadores, sino la de los usuarios. Escatimar en presupuesto es un grave error que puede costar vidas. “Desde el punto de vista de seguridad, estos sistemas no son costosos porque primeramente tendríamos que contestar, ¿cuánto cuesta una vida humana o una quemadura?”, sentencia Ruelas.
Este tipo de sistema no implica grandes i nversiones. En cualquier obra civil, ya sea la construcción de un edificio, una planta industrial o una residencia, esta protección representa presupuestos poco significativos; sólo se precisa de cableado, conectores y electrodos de puesta a tie rra. No obstante, uno de los elementos más costosos que presenta es el cobre. “En ocasiones, a este sistema no se l e da demasiada importancia. En muchos entornos residenciales,
comerciales o industriales, dichas obras las realizan los arquitectos. A esto se debe que se generen tantos problemas. Estos proyectos deben ser diseñados y ejecutados por ingenieros electricistas”, remarca Díaz.
Ruelas distingue que en México este tipo de protecciones es constante en el sector industrial; sin embargo, López y Navarro explican que muchas veces se encuentran en malas condiciones y no se les da el mantenimiento que precisan. Ruelas afirma que en las viviendas, por ejemplo, no es tan frecuente ver este ti po de sistemas y, además, subraya que nadie supervisa esas instalaciones. “En nuestras casas, pesimamente queremos ahorrar en lo que no se ve y es allí donde más debemos invertir. Por lo general, en ellas se desenvuelve nuestra vida, donde se encuentra lo más preciado: nuestra familia. ¿No es irónico?” “En general, la industria mantiene lo que califico como „filosofía forense‟; es decir, sólo reaccionan a la muerte de una persona o equipo valioso”
Ing. Pablo Díaz Debilidades y cambios necesarios
Tanto contratistas como capacitadores destacan que entre sus mayores problemáticas se encuentra la poca profesionalización, el desconocimiento y el poco o nulo respeto por las normas. Ruelas afirma que dentro del sector existe una competencia desleal de quienes lucran con la seguridad de las personas: “En el gremio existen contratistas que por ganar contratos no colocan los conductores adecuados”. Díaz, basado en su experiencia como capacitador, sostiene: “como instructor en puesta a tierra a nivel
internacional, una de las preguntas que siempre hago al auditorio es ¿cuántos de ustedes han leído la norma eléctrica relacionada con la puesta a tierra? La respuesta constantemente es la misma: sólo unas cuantas personas levantan la mano. Es casi imposible creer que la mayoría de los ingenieros, técnicos y electricistas no conocen las reglas de su industria”. López y Navarro también coinciden en que existe poco conocimiento de las normas: “Suele haber una
interpretación errónea del tema y de sus conceptos. No existe demasiado conocimiento de las normas nacionales y hay una gran ignorancia respecto de las internacionales”.
“En una auditoría de sitio, cuando examino los sistemas de puesta a tierra encuentro errores recurrentes: las misma patologías y aplicaciones incorrectas de las normas y estándares de la industria”, afirma Díaz.
Para hacer eje en la concientización y capacitación, Ruelas sostiene que uno de los mayores retos radica en educar a todas las personas en l a seguridad eléctrica, en especial a los trabajadores del gremio. Díaz destaca que la capacitación en puesta a tierra es sumamente valiosa y, virtualmente, es la inversión más efectiva y de mayor beneficio para todas las empresas en cualquier ámbito industrial. “Capacitar no sólo clarifica los mitos y abundantes malas interpretaciones: ofrece soluciones prácticas para la
seguridad personal, requerida por los códigos eléctricos nacionales, y aporta soluciones para la protección frente a ruidos eléctricos de equipo electrónico sensible de alta tecnología”, concluye..
