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COMPARATIVO DE SISTEMAS
DE TIERRA FISICA
COMPARATIVO
MALLA DE TIERRA, SISTEMAS
TRADICIONALES,
Y
SISTEMAS DE TIERRA TOTAL GROUND
12 de Octubre de 2010
COMPARATIVO DE SISTEMAS
DE TIERRA FISICA
Normas Hoy en día existen varias normas y estándares con diferentes enfoques cada una, las principales son las siguientes:
IEEE “Institute of Electrical and Electronics Engineers”
• Libro verde “Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems”
• Libro esmeralda “Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment”
• TIA “Telecomunicación Industria Asociación”
• Std 607
Las normas oficiales mexicanas son: NOM 001 SEDE 2005 ART. 250
• Aplica para la instalación y certificación de sistemas de tierra
Las normas indican la correcta instalación de los materiales a utilizar para una correcta tierra física y con una
mayor duración, y efectiva conexión con el elemento tierra, preocupada en la protección al ser humano.
Es importante la unión de diferentes tierras para igualar su potencial eléctrico este método de
equipotencialidad está, escrito en la norma siguiente:
NOM 001 sede 2005 art. 250 Parte H- 81
Si existen en la propiedad, en cada edificio o estructura perteneciente a la misma, los elementos (a) a (d) que se indican a continuación y cualquier electrodo de puesta a tierra, deben conectarse entre sí para formar el sistema de electrodos de puesta a tierra.
a) Tubería metálica subterránea para agua. b) Estructura metálica del edificio. c) Electrodo empotrado en concreto. d) Anillo de tierra.
NOTA: En el terreno o edificio pueden existir electrodos o sistemas de tierra para equipos de cómputo, pararrayos, telefonía, comunicaciones, subestaciones o acometida, apartarrayos, entre otros, y todos deben Conectarse entre sí.
NOM 001 sede 2005 art. 250 Parte H- 83
En ningún caso el valor de resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra debe ser
superior a 25 Ω. Cuando se use más de un electrodo de puesta a tierra para el sistema de puesta a tierra, todos ellos
(incluidos los que se utilicen como electrodos de puesta a tierra de pararrayos) no deben estar a menos de 1,8 m de cualquier otro electrodo de puesta a tierra o sistema para puesta a tierra.
Dos o más electrodos de puesta a tierra que estén efectivamente conectados entre sí, se deben considerar como un solo sistema de electrodos de puesta a tierra.
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COMO CALCULAR UN SISTEMA DE TIERRA FISICA
La resistividad del terreno es de importancia decisiva en el diseño de una puesta a tierra y la única forma de conocerla con exactitud es mediante medidas directas de campo. Se considera al terreno formado por capas o estratos homogéneos, de resistividad uniforme y espesor fijo. Los procedimientos simplificados de análisis y diseño de puestas a tierra, están basados en la suposición de terreno homogéneo. Para su aplicación, se debe reducir el modelo de terreno estratificado general, a un modelo práctico de terreno homogéneo equivalente, caracterizado por
un sólo parámetro, la resistividad equivalente e El método de uso tradicional, propuesto por Burgsdorf-Yakobs, para reducir las n capas desde la superficie de un modelo de terreno estratificado, a un terreno homogéneo equivalente caracterizado por una única resistividad, emplea los siguientes parámetros y expresiones:
i : resistividad del estrato «i», supuesto uniforme, en Ohm- metro hi : profundidad desde la superficie al término del estrato «i», en metros S: área que cubre el perímetro del electrodo de tierra, en metros cuadrados b : máxima profundidad de conductor enterrado, medida desde la superficie, en metros; incluye la Profundidad de enterramiento de la malla y de las barras verticales si es el caso.
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Debe observarse que la resistividad equivalente de un terreno determinado es dependiente de las dimensiones y ubicación del electrodo y se modifica si cambia su área o profundidad. En un terreno de 3 capas con las siguientes características: Una malla de tierra puede dar una baja resistencia, un electrodo TOTAL GROUND puede dar la baja resistencia por su forma de conectividad y compuesto higroscópico. Una barra de 1,5 metros enterrada desde la superficie, tiene una resistividad equivalente de 85,34 Ohm-metro; en cambio, en el mismo terreno, una malla de l0x10 m2 tiene una resistividad equivalente de 234,9 Ohm-metro. Hay dos tipos principales de conductores de tierra . Los conductores de protección (o de conexión) y . Los electrodos de tierra Conductor de protección de circuito Es un conductor separado instalado con cada circuito y está presente para asegurar que parte o toda la corriente de falla regrese a la fuente a través de él. Puede ser un conductor individual, la cubierta metálica exterior de un cable o la estructura de un ducto metálico. Conductores de conexión. Estos conductores aseguran que las partes conductivas expuestas (tales como carcasas metálicas) permanezcan aproximadamente al mismo potencial durante condiciones de falla eléctrica. Las dos formas de conductores de conexión son: . Conductores de conexión equipotencial principales, que conectan entre si y a tierra, partes conductivas expuestas que normalmente no llevan corriente, pero podrían hacerlo bajo una condición de falla . Conductores de conexión suplementarios, para asegurar que el equipo eléctrico y otros ítems de material conductivo en zonas especificas estén conectados entre si y permanecen sustancialmente al mismo potencial. Es esencial, para ambos tipos de conductores, que el calibre escogido de conductor sea capaz de llevar el valor total de la corriente de falla estimada, por la duración estimada, sin perjuicio para el conductor o para sus uniones. Electrodos de tierra TOTAL GROUND El electrodo de tierra es el componente del sistema de puesta a tierra que está en contacto directo con el terreno y así proporciona un medio para botar o recoger cualquier tipo de corrientes de fuga a tierra. Los electrodos de tierra TOTAL GROUND, deben tener propiedades mecánicas y eléctricas apropiadas para responder satisfactoriamente a las solicitaciones que los afectan, durante un período de tiempo relativamente largo. El material debe tener buena conductividad eléctrica y no corroerse dentro de un amplio rango de condiciones de suelo y gracias a la durabilidad del compuesto H2OHM.
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Barras y malla de tierra Esta es la forma más común de electrodos, cuando no se requiere controlar los potenciales de superficie. La barra es de cobre puro o de acero recubierto de cobre. El tipo recubierto se usa cuando la barra se entierra por medios mecánicos (impacto) ya que el acero empleado tiene alta resistencia mecánica. La capa de cobre debe ser de alta pureza y aplicada electrolíticamente para que no se deslice al enterrar la barra ( no siempre es efectiva la duración de la capa de cobre al momento del enterrado. Las barras están disponibles en diámetros 9,5 a 20 mm (acero recubierto de cobre) y longitudes de 1,2 a 3 metros. La resistencia de una barra vertical de radio a [m] y longitud 1 [m] enterrada desde la superficie en
un terreno de resistividad equivalente e es
Por ejemplo, una barra tipo Copperweld de 1,5 metros de longitud, 8 milímetros de radio, en un terreno de resistividad equivalente 100 Ohm-metro, tiene una resistencia de puesta a tierra de:
Estos materiales son utilizados en las mallas de tierra de los cuales sirve para equipotencilizar los terrenos y conexiones y mejorar la conductividad de la descarga a tierra mejor Es un reticulado formado por la unión de conductores horizontales, normalmente según direcciones perpendiculares y uniformemente espaciados, incluyendo eventualmente conductores verticales (barras). Se utiliza especialmente cuando el objetivo principal de la puesta a tierra es mantener un control de potenciales en la superficie del terreno, con un bajo valor de resistencia. Voltajes presentes en mallas de tierra Consideremos una malla formada por n conductores dispuestos en cada dirección, con separación uniforme D entre ellos, enterrada a una profundidad fija de h metros, siendo L la longitud total de conductor enterrado. En el momento en que la mal la difunde una corriente de I Amperes al terreno, una persona puede quedar expuesta a los siguientes voltajes de riesgo.
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Riesgos de una malla de tierra Voltaje de paso Corresponde a la diferencia de potencial entre dos puntos ubicados sobre la superficie del suelo, separados una distancia de un metro:
Los voltajes mal descargados son un riesgo que en la malla de tierra puede ocasionar, la particularidad de falla en una malla de tierra es las barras que en un largo plazo no son durables y aproximadamente su tiempo de vida es de 6 meses o 3 meses dependiendo como fueron instalados, aunque la malla se utiliza cable de cobre, su instalación requiere de una mayor superficie de enterrado y con el riesgo de recibir descargas externas por su bidireccionalidad. Relleno de malla de tierra Estos sistemas tradicionales por lo regular utilizan relleno de productos químicos corrosivos en su estudio de terreno, es necesario lograr una menor resistencia por ese motivo uitlizan elementos como sales químicos corrosivos a largo plazo, carbón, ceniza etc. En el momento de la instalación ayudan a tener mediciones bajas de resistencia pero que requieren de mantenimiento constante para evitar que el terreno enduresca o empieze a corroer los metales empleados en el sistema de tierra en forma de malla y que actua principalmente en las varillas empleadas para conexión profunda a tierra.
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Electrodos TOTAL GROUND Los electrodos Total Ground, están fabricados en forma de tríodo 100% cobre electrolítico desglosado de la siguiente manera:
Filtro LCR
Inductancia L: El potencial uL será: uL = iL . XL
Capacidad C: El potencial uC será: uC = iC . XC
Resistencia R: El potencia uR será: uR = iR . R
Tubos de Cobre 100% electrolítico
Lamina de cobre en forma de triangulo que
une los tubos y forman el tríodo necesario
para la separación de polaridades
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Los sistemas simples de conexión a tierra física constan de un único electrodo de tierra física colocado en el terreno. El uso de un único electrodo de tierra física es la forma más común de realizar dicha conexión a tierra física, y puede encontrarse fuera de su casa o lugar de trabajo. Los sistemas complejos de conexión a tierra física constante de varias varillas de conexión a tierra física conectadas entre sí, de redes en malla o retícula, de placas de conexión a tierra física, y de bucles de conexión a tierra física. Recordemos los beneficios de tener un buen sistema de tierra; además de protegerse contra las descargas atmosféricas desecharemos interferencias derivadas de la intermodulación y de cosas extrañas que de repente se escuchen y/o se vean en nuestros aparatos. Los equipos que deben tener una protección debida además de los receptores y transmisores, son los de computo, telefonía y audio, pues hemos sido testigos de que para "protegerse" de descargas atmosféricas.
Los electrodos TOTAL GROUND esta diseñados bajo el principio de magneto activo por su actividad de separar las polaridades del terreno y mejorar la conexión con el elemento tierra así como la duración del sistema ya que está fabricado de cobre 100% electrolítico, estos sistemas son unidireccionales debido al filtro LCR que contiene en su parte superior del electrodo y con ayuda del acoplador de admitancias que distribuye correctamente las descargas y no permiten un regreso de las mismas.
Los cálculos de diseño de las tierra esta basados en lo siguiente.
A efectos de esta documentación entenderemos la corrosión como el conjunto de procesos de deterioro que sufre un material metálico bajo el efecto de las acciones físicas, químicas o electroquímicas del medio que lo rodea. El grado de humedad que presente el terreno, es un factor, que si bien es fundamental para que los valores de resistencia de tierra sean los adecuados, es también un factor que juega a favor de la corrosión, de hecho la presencia de agua, como medio, es la condición base de la mayor parte de fenómenos corrosivos. Si analizamos los elementos que concurren en la corrosión en general, tanto el cable como las picas cobreadas presentan cobre en su superficie, mientras que en la grapa suele estar formado por otros metales más fáciles de corroer. Notar que el cobre resiste la corrosión de casi todos los terrenos, a excepción de los terrenos alcalinos.
CORROSIÓN Y TERRENOS
La distinta naturaleza de los terrenos va a comportar un mayor o menor nivel de ataque sobre cables, conexiones y electrodos, aunque de forma general podemos decir que cuanto menor es la resistividad del terreno mayor es su capacidad corrosiva. A título orientativo podemos establecer una relación entre el grado de corrosión de un terreno y su resistividad.
RESISTIVIDAD DEL TERRENO EN Ω m NIVEL DE CORROSIÓN DEL
TERRENO
0 – 9 ALTAMENTE CORROSIVO
9 - 50 SEVERAMENTE CORROSIVO
80 - 100 MODERADAMENTE CORROSIVO
100 - 200 LIGERAMENTE CORROSIVO
>200 MUY POCO CORROSIVO
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Electrodos TOTAL GROUND en pruebas de laboratorio
Propiedad cobre
Conductividad eléctrica (templada) 101
Resistencia eléctrica (templada) 1.72
Conductividad termal 20°C 397
Coeficiente de expansión 17 x 10-6
Fuerza tensora (Templada) 200-250
Fuerza tensora (medianamente dura) 260-300
0.2% prueba de fuerza (Templada) 50-55
0.2% prueba de fuerza (medianamente dura) 170-200
Módulo elástico 116-130
Fuerza de fatiga (Templada) 62
Fuerza de fatiga (medianamente dura) 117
Calor específico 385
Densidad 8.91
Punto de derretimiento 1083
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Estudio basado en la norma Mexicana
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).
Electrodo TOTAL GROUND
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, como ejemplo en subestaciones hasta 250 KVA y 34.5
KV., 10 ohm en subestaciones mayores a 250 KVA hasta 34.5 KV y de 5 ohm, en subestaciones que operen
con tensiones mayores a los 34.5 KV.
Los sistemas TOTAL GROUND cumplen con la norma mexicana NOM 001 SEDE 2005 ART. 250 que especifica:
NOM 001 sede 2005 art. 250 Parte H- 81
Si existen en la propiedad, en cada edificio o estructura perteneciente a la misma, los elementos (a) a (d) que se indican a continuación y cualquier electrodo de puesta a tierra, deben conectarse entre sí para formar el sistema de electrodos de puesta a tierra.
e) Tubería metálica subterránea para agua. f) Estructura metálica del edificio. g) Electrodo empotrado en concreto. h) Anillo de tierra.
NOTA: En el terreno o edificio pueden existir electrodos o sistemas de tierra para equipos de cómputo, pararrayos, telefonía, comunicaciones, subestaciones o acometida, apartarrayos, entre otros, y todos deben Conectarse entre sí.
NOM 001 sede 2005 art. 250 Parte H- 83
En ningún caso el valor de resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra debe ser
superior a 25 Ω. Cuando se use más de un electrodo de puesta a tierra para el sistema de puesta a tierra, todos ellos
(incluidos los que se utilicen como electrodos de puesta a tierra de pararrayos) no deben estar a menos de 1,8 m de cualquier otro electrodo de puesta a tierra o sistema para puesta a tierra.
Dos o más electrodos de puesta a tierra que estén efectivamente conectados entre sí, se deben considerar como un solo sistema de electrodos de puesta a tierra.
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Valores medibles de los electrodos TOTAL GROUND Los valores aconsejables para redes eléctricas de resistencia de acuerdo a las normas son:
Resistencia En baja tensión En alta tensión Menos de 1 ohm Excelente Excelente
Entre 1 y 5 ohm Muy buena Muy buena
Entre 5 y 10 ohm Buena Buena
Entre 10 y 15 ohm Buena aceptable Buena aceptable
Entre 15 y 20 ohm Regular Regular Más de 20 ohm Mala Mala
Los electrodos TOTAL GROUND garantizan un valor de resistencia medible menor a 2 ohm Y en muchos casos llegan a valores menores a 1 ohm que dentro de la tabla anterior logran la excelencia de operatividad. 1.3 Variación de la tensión Dado que puede despreciarse la resistencia del conductor de unión frente a la de contacto y de la tierra, la forma del electrodo, su superficie externa y la resistividad eléctrica del suelo determinan la forma en cómo se difunde la corriente de falla o de descarga a través de la tierra y por lo tanto la caída de tensión entre el electrodo y la misma. La difusión de la corriente alrededor del electrodo crea en el terreno una caída de tensión cuya variación es máxima en las inmediaciones del electrodo y decrece a medida que aumenta la distancia radial con respecto a él (ya que la resistencia del suelo va disminuyendo con el incremento del área por donde circula la corriente), haciéndose despreciable a partir de una distancia que depende de la forma del electrodo y de la resistividad eléctrica del suelo. Se forma así un “embudo de tensión” en la zona próxima. Este embudo es más estrecho cuanto más profundo esté enterrado el electrodo. La caída de tensión, función del valor de la corriente circulante, puede resultar peligrosa para los seres vivos que circulan en las inmediaciones. Esto se define como la tensión de paso admisible. En la figura 1 se representa la variación del voltaje medido con respecto a un punto alejado. En la figura 2 se indican con círculos los puntos equipotenciales alrededor.
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H2OHM Es un elemento importante en el diseño de los sistemas de tierra TOTAL GROUND, este compuesto orgánico
llamado H2Ohm, elaborado con material higroscópico coagulante de humedad mismo que cuenta con
certificado de pruebas (LAPEM) y certificado de laboratorio acreditado ante EMMA con valores dentro de la
norma CRETIB de no toxicidad ni daño al medio ambiente.
Potencial eléctrico
NOM 001 sede 2005 art. 250 Parte H- 86
Todos las aplicaciones de tierra pueden ir a un solo sistema de tierra, con excepción del sistema de
tierra de la protección atmosférica externa, pero este debe de estar unido en su parte más baja con el sistema de tierras general para logra el cumplimiento con la NOM 001 sede 2005 art. 250 Parte H- 83
Un sistema de malla de tierra en su diseño logra este concepto, los sistemas de TOTAL GROUND también cumplen con esta norma llamada equipotencialidad. En el ejemplo siguiente podemos observar la forma de equipotencialidad uniendo todos los electrodos.
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Esquema de ejemplo de aplicaciones de sistemas TOTAL GROUND en la equipotencialidad
Dibujo: Ing. Ernesto Solís
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