PRESENTACION

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.

Según el artículo 100 del NEC (del inglés National Electrical Code) define la conexión a tierra como "una conexión conductora de electricidad ya sea de forma intencionada o accidental, entre un circuito o equipo eléctrico y la tierra o cualquier otro cuerpo conductor de electricidad que pueda sustituir a la tierra". Dentro de las conexiones a tierra se distinguen dos categorías: conexión a tierra y conexión a masa. Una conexión a tierra es una conexión intencionada de un circuito conductor de electricidad (normalmente el neutro) a un electrodo de conexión a tierra ubicado dentro de la tierra. La conexión a masa garantiza la correcta puesta a tierra del equipo que está funcionando en una estructura. Estos dos sistemas de conexión deben mantenerse por separado excepto cuando se trate de una conexión entre los dos sistemas.

APLICACIÓN DE LA TIERRA EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS.

El origen de este tipo de protección se oficializó a principios del siglo pasado. A partir de 1913, el National Electrical Code (NEC) obligó a que los 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.

Dentro del sistema general de puesta a tierra existen otros subsistemas, como “puesta a tierra para la protección frente a descargas atmosféricas eléctricas”, “puesta a tierra para la seguridad eléctrica” o también llamada “Tierra del equipo” o “Tierra de seguridad”; “Tierra de alta frecuencia”, que no se rige por las mismas reglas de la tierra de baja frecuencia; “Puesta a tierra para la protección frente a las interferencias electromagnéticas” (EMI, 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 “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 ruidos 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 en 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 trabajos de mantenimiento.

La puesta a tierra de sistemas eléctricos además, limita cualquier voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o de contactos no intencionales con cables de voltajes más altos. Para ello se utiliza un conductor apropiado que se conecta a la tierra.

I. OBJETIVO DE LA PUESTA A TIERRA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO:

Estabilizar el voltaje a tierra.

Proveer un camino para que circule la corriente de falla a tierra, lo cual permitirá que los dispositivos de protección contra sobre corriente operen para liberar la falla.

Apego a normas y reglamentos públicos en vigor.

Una instalación de puesta a tierra se compone esencialmente de electrodos, que son los elementos que están en íntimo contacto con el suelo (enterrados) y de conductores, utilizados para enlazar a los electrodos entre si y a éstos, con los gabinetes de los equipos y demás instalaciones expuestas a corrientes nocivas, manteniendo al mismo tiempo, una superficie equipotencial a su alrededor.

Sobre este tema, la NOM-001-SEDE-1999 señala en su capítulo para subestaciones, que el área de la sección transversal mínima de los conductores para una malla de tierra es de 107.2 mm2 (4/0 AWG).La resistencia eléctrica total del sistema de tierra, debe conservarse en un valor (incluyendo todos los elementos que forman al sistema) menor a 25 OHMS, para subestaciones hasta 250 KVA y 34.5 KV., 10 ohms en subestaciones mayores a 250 KVA hasta 34.5 KV y de 5 ohms, en subestaciones que operen con tensiones mayores a los 34.5 KV.

II. 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.

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 sobre voltajes transitorios.

3. Reactancia de puesta a tierra.Un reactor es conectado entre el  sistema del neutro y tierra.

4. Neutralizador de falla a tierraEs 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 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.

5. AutotransformadoresFrecuentemente son utilizados en sistemas de transmisión y distribución. Se usan para transformar el voltaje. Reducen el costo del transformador o evitan la creación de un nuevo sistema de puesta 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.

III. TIPOS DE ELECTRODO PARA TIERRA FÍSICA

Para poder realizar una instalación de puesta a tierra es indispensable contar con un electrodo, aunque no se recomiendan todos es necesario hacer referencia a ellos ya que existen diversos tipos, a continuación la descripción de los más comunes.

Sistemas convencionales de tierra física:o Varilla : este tipo de electrodo se forma por un perfil de acero

galvanizado puede tener forma de cruz, t o ángulo recto.o Rehilete: se forma de dos placas de cobre cruzadas, las cuales van

soldadas. Es usado en terrenos donde es difícil excavar, ya que tiene un área mayor de contacto.

o Placa : Se usa en terrenos con alta resistividad ya que tiene una gran área de contacto. Debe tener un área de por lo menos 2000cm cuadrados y un espesor aprox. de 6.4mm en materiales ferrosos y 1.52mm en materiales no ferrosos.

o Electrodo en estrella : se utilizan en el campo porque por la longitud del cable se obtiene un valor de resistencia menor.

o Malla : se forma armando una red de conductores de cobre desnudos y se mejora con algunos electrodos.

o Electrodo de anillos : es un espiral de cable de cobre desnudo.o Placa estrellada : placa con varias puntas en sus contornos, su

ventaja principal es que ayuda a disipar la enría a través de sus puntas.

o Electrodo de varilla de hierro o acero : estas varillas deben tener por lo menos 16mm de diámetro.

o Electrodo de tubo metálico : es de acero o hierro y tiene que tener una cubierta de otro metal para que lo proteja de la corrosión, la tubería debe estar enterrada por lo menos 3 metros.

o Electrodo de aluminio : el aluminio se corroe al estar en tierra por lo que no son permitidos y menos recomendados.

o Electrodo empotrado en concreto : se debe encontrar en una cimentación enterrada y con una longitud de por lo menos 6m.

o Electrodo horizontal : es un conductor de cobre desnudo enterrado en forma horizontal, la forma más utilizada es la línea recta, sin embargo su excavación es costosa.

o Electrodo profundo : se utiliza en terrenos donde hay mucha roca y se realiza una perforación profunda hasta las capas húmedas de la tierra porque la humedad aumenta la conductividad.

o Electrodo químico : se le agrega alguna sustancia química al electrodo para aumentar la conductividad.

Sistema estructural de tierra física:o El sistema estructural de tierra física fue ideado para sobrepasar la

problemática de las tierras físicas convencionales.

IV. CONFIGURACION DEL SISTEMA DE TIERRAS:

a) Sistema de Tierras para Electrónica.

Utilizado para la puesta a tierra de los equipos electrónicos y de control, consta de una serie de electrodos instalados remotamente del local de unidades de energía ininterrumpible del edificio inteligente, enlazados entre sí por medio de cobre desnudo Cal. 4/0 AWG. En el interior del local de las unidades de energía ininterrumpible del edificio inteligente, se instaló una barra de cobre electrolítico de 3.600 x 0.1016 x 0.009525 m., montada a 2.60 m. Sobre nivel de piso terminado con una leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para el sistema de electrónica. Conectada a el sistema de tierras remotas mediante cable de cobre Cal. 4/0 AWG. Aislamiento THW – LS 90 °C, con marcas en los extremos y a intervalos no mayores de 3.0 color verde; a las concentraciones de tableros para cada nivel de cada módulo, los tableros para el sistema regulado de energía se conectaran con cables paralelos de calibre adecuado a la capacidad del interruptor termomagnético principal de cada tablero, de características similares al Cal. 2 AWG y dejando como preparación cocas de cable.

Dado que en este sistema no se considera la conducción a tierra de grandes corrientes de falla, para su elección se considera la resistividad existente en el terreno, el tipo de electrodo instalado y lo estipulado en la NOM-001-SEDE-1999, relativo a la sección de conductores utilizados para la puesta a tierra de equipos, seleccionados en función de la capacidad del interruptor que protege a los circuitos en cuestión.

Como electrodo de puesta a tierra se utiliza el tipo EP - ET, marca Parres ó similar, construido de cobre electrolítico aleación 110 de contenido químico a base de magnesio, coke y sulfato de cobre con un recubrimiento plateado y 19 cm. de diámetro por 119 cm. de longitud. Este sistema debe estar completamente aislado del sistema de tierras de pararrayos y enlazado al sistema de tierras para fuerza, por medio de un puente de conexión en el edificio de distribución.

La resistencia a tierra máxima en este sistema debe ser de 2 Ohms, en el caso de no alcanzar la resistencia deseada, se instalara, algún elemento químico para reducir la resistividad del terreno y alcanzar así, la resistencia a tierra requerida.

b) Sistema de Tierras para Fuerza.

Utilizado 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, así como los puntos de la instalación eléctrica en los que es necesario establecer una conexión 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.

Este sistema se constituye de una malla de tierras remota localizada en la zona de hombre muerto entre los edificios E y D, consta de una serie de electrodos enlazados entre sí, con un cable de cobre desnudo Cal. 4/0 AWG, de la malla del sistema de tierras se llega a el local de la subestación eléctrica principal en la planta sótano del edificio inteligente E, mediante cable de cobre desnudo Cal. 4/0 AWG, a una barra de cobre electrolítico de 3.600 x 0.1016 x 0.009525 Mts., montada a 2.60 m. sobre nivel de piso terminado con una leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para el sistema de fuerza. En las trincheras del local se transportara el conductor de cobre desnudo para la conexión a tierra de los elementos metálicos de la subestación. La puesta a tierra de los elementos se hará mediante cable de cobre desnudo Cal 1/0 AWG. a las concentraciones de tableros para cada nivel de cada módulo, los tableros para el sistema normal – emergencia de energía se conectaran con cables paralelos de calibre adecuado a la capacidad del interruptor termomagnético principal de cada tablero.

La resistencia a tierra en cualquier punto del sistema, no debe ser mayor a 10 Ohms. Para la conexión a tierra de los equipos, se instalarán en los edificios, una barra de cobre electrolítico de 1.500 x 0.1016 x 0.009525 m., montadas en todos los casos a 0.60 m. sobre nivel de piso terminado con una leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para el sistema de fuerza en las concentraciones de tableros de cada nivel de cada módulo.

c) Sistema de Tierras en Pararrayos.

Como su nombre lo indica, se destina para drenar a tierra las corrientes producidas por descargas atmosféricas y se conforma con electrodos tipo copperweld, Marca Mexerico o similar y cable tipo pararrayos de cobre Clase 1, 27 hilos, Marca Condumex o similar.

La distancia del edificio con respecto al hincado del electrodo, no debe ser menor a 2.50 m. y debe quedar totalmente aislado de los sistemas de tierras para fuerza y para electrónica.

La resistencia a tierra en cualquier punto del sistema, no debe ser mayor a 10 ohms, para lo cual en caso necesario, se implementarán arreglos de electrodos en Delta y/o un agregado de elementos químicos para reducir la resistividad del terreno, recomendados por la NOM-001-SEDE-1999 Art. 250-83.

d) Sistema de Tierras Para Señales Electromagnéticas y Cargas Estáticas.

El principio utilizado para este sistema es el de una jaula de Faraday, que es en pocas palabras un cuarto blindado contra interferencias de radiofrecuencias. Esta jaula aisla al receptor de las fuentes radiacionales y permite observar con precisión su funcionamiento con señales débiles calibradas que se generan cuidadosamente en el interior de la jaula, teniendo así un medio libre de interferencia en el cual es posible efectuar medidas a bajo nivel.Para el blindaje de campos magnéticos, el material debe tener propiedades ferromagnéticas.

El hecho que exista una conexión de la jaula a una tierra directa no tiene el menor efecto sobre las propiedades de un blindaje.

Las características principales que deben cuidarse en la construcción de una jaula de Faraday son: La atenuación, en su valor mínimo garantizado, la gama de frecuencia protegida, el tipo de interferencias que debe blindarse, ventilación adaptabilidad para hacer modificaciones, tipo de entrada y alambrado.

En caso de ser necesario una gran atenuación, el blindaje puede constar de varias paredes que formen casquetes concéntricos aislados entre si,

Como se están considerando campos magnéticos de muy alta frecuencia y microondas se utilizara lámina sólida perforada de acero, fija sobre un marco de madera. La construcción de la jaula de Faraday se realizara de manera que el blindaje interior y el exterior se conecten en un solo punto. A fin de reducir los efectos de antena debido a las penetraciones de elementos metálicos como grapas clavos, etc., para la fijación de las láminas en el bastidor de madera, se procura evitarlas y si es preciso se aplica soldadura para que formen una sola pieza con el blindaje, o bien la utilización de clavos de plástico de diámetro inferior a la abertura normal de la malla.Para evitar los efectos de inducción de campo magnético por la penetración del blindaje por partes metálicas, ya sea del interior al exterior o viceversa, se utilizaran filtros en las entradas de todo alambre que penetre, incluyendo tierras, y preferiblemente se localizan cerca del punto de conexión entre el blindaje interior y exterior.Se acostumbra emplear un transformador de aislamiento antes del filtro para tener la alimentación desconectada de la tierra y evitar accidentes a personas en el interior de la jaula

Se recomienda que se instalen entradas herméticas de doble puerta, para mantener el blindaje todo el tiempo.

V. LINKOGRAFIA:

http://constructorelectrico.com/home/puesta-a-tierra-de-sistemas- electricos/

http://www.monografias.com/trabajos13/sisttierr/sisttierr.shtml