Tierras 1

FUNCIONES BSICAS DE LOS SISTEMAS DE PUESTA ATIERRA

Jaime Alberto Blandn Daz

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1. OBJETIVO

Presentar las funciones bsicas de los sistemas de puesta a tierra, con el finde homologar conceptos que permitan establecer las exigencias yrequerimientos que debe tener un sistema de puesta a tierra para cumplirdeterminadas funciones, as como para esclarecer cundo un solo sistemaes capaz de cumplir con varias de las funciones que pueden requerrsele.

2. DEFINICIONES BSICAS

2.1 Equipotencialidad

Concepto de seguridad elctrica que establece que los riesgos y daosocurren cuando existen diferencias de tensin aplicadas a los cuerpos oequipos, es decir que mientras un cuerpo tenga en sus partes el mismopotencial, no circularn por l corrientes que puedan daarlo. Obviamente siel cuerpo es conductor, una pequea diferencia de potencial puede sersuficiente par que circule por l una gran corriente, mientras si el cuerpo esaislante, soportar una mayor diferencia de tensin antes de que pueda fluirpor l alguna corriente. Bajo este concepto, los sistemas de tierra pretendenequipotencializar los equipos y cuerpos dentro de una instalacin a fin de queno ocurran diferencias importantes de tensin que puedan daar suaislamiento.

IEB S.A.Funciones bsicas de los sistemas de puesta a tierra Pgina 2 de 10

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2.2 Conductor de neutro

Es un conductor cuya funcin es retornar al neutro del transformador dealimentacin, la corriente residual de carga. Es normal que lleve algunacorriente, aunque si el sistema es balanceado, dicha corriente debe sersubstancialmente ms baja que la corriente de las fases. Posee una tensinentre sus extremos inicial y final como consecuencia de la circulacin decorriente.

2.3 Conductor de tierra de proteccin

Es un conductor cuya funcin es la de retornar al neutro del transformador dealimentacin la corriente de las fallas. Su funcin es la de cerrar el circuitodurante fallas con un camino de baja impedancia, por lo que slo debe llevarcorriente durante estos eventos, es decir que su funcin es la de proteger alas personas (tercera pata).

2.4 Conductor de tierra de referencia

Es un conductor, generalmente aislado, que se usa para llevar la seal dereferencia de 0 voltios a los equipos que la requieran. Nunca debe llevarcorriente, excepto cuando se establezca que el conductor de tierra deproteccin puede servir como conductor de tierra de referencia tambin.

2.5 Puesta a tierra

Es cualquier conexin, intencional o no, entre un conductor elctrico de unared y la tierra fsica.

2.6 Masa

Objeto conductor que es usado como referencia elctrica en un circuito. Elchasis de equipos porttiles y el metal de un gabinete son ejemplos demasas. Las masas pueden estar o no puestas a tierra y un equipointernamente puede tener varias masas diferentes.

2.7 Sistema de puesta a tierra

Es un conjunto de electrodos y cables, en contacto intencional con la tierrafsica, que pretende usar la tierra fsica (suelo) como conductor elctrico.



2.8 Potencial de Tierra Remota

La Tierra Remota es un lugar fsico, generalmente alejado de las redeselctricas, en el que el movimiento de cargas elctricas en el suelo esdespreciable. Es decir que su diferencia de potencial con otro punto cercanoa dicho lugar, es aproximadamente cero. La tierra remota se ubica adistancias relativamente alejadas de los sistemas de puesta a tierra,pudindose localizar a centenares de metros en caso de sistemas pequeos(varillas, mallas de pocos metros de longitud) y a varios kilmetros en casode electrodos grandes (centrales elctricas, grandes subestaciones, etc.).

La tierra remota es el lugar fsico donde la tensin se aproxima ms a cerovoltios (no se mueven cargas en el piso por diferencias de tensin en elmismo).

2.9 Incremento de potencial de tierra (G.P.R)

Es el incremento que sufre el potencial del sistema de tierra con respecto a latierra remota, cuando fluye a travs suyo una corriente en direccin de latierra fsica. En la mayora de los sistemas de puesta a tierra, con corrientesde baja frecuencia, la diferencia de tensiones entre los conductores yelementos del sistema es tan pequea que se considera que el G.P.R es elmismo en todos los puntos. Durante descargas atmosfricas el G.P.R vararadicalmente entre diferentes puntos del sistema de tierras, debido a lasvelocidades de propagacin de las ondas por los conductores.

2.10 Tensin de interferencia

Es el G.P.R que aparece en los sistemas de tierra de forma permanente,debido a corrientes de fuga que circulan por la tierra fsica. Ocurregeneralmente cuando los sistemas son multi - aterrizados o cuando se usa latierra como neutro. La tensin de interferencia se lee con un voltmetroubicado entre cualquier conductor del sistema de tierras y una tierra remota(ubicada a unos centenares de metros)

2.11 Tensin tierra neutro

Es la tensin que cae en el cable de neutro de un circuito y es igual a laimpedancia del cable de neutro, multiplicada por la corriente del neutro. Notiene relacin con la tensin de interferencia, ni puede mejorarse reduciendola resistencia de puesta a tierra. Es simplemente una cada de tensin en uncable, la cual, por conveniencia, se mide tocando el conductor de la tierra,



que se supone que no lleva corriente, es decir que su potencial es igual al delotro extremo del cable (donde se une con el neutro) y el neutro en un toma ogabinete.

Si por el conductor de tierra circulan corrientes de fuga, la tensin neutrotierra queda mal leda y debe leerse llevando fsicamente un terminal delvoltmetro al punto inicial del neutro (donde se unen neutro y tierra)

2.12 Tensin tierra remota neutro

Es la tensin entre el neutro de un circuito y la tierra remota. Se mide con unvoltmetro conectado entre el neutro y un terminal ubicado a centenares demetros. Corresponde a la suma de la tensin neutro tierra y la tensin deinterferencia. Esta tensin si puede mejorarse reduciendo la resistencia depuesta a tierra.

2.13 Tensin de paso

Es la tensin que aparece entre los pies de una persona (o un animal)cuando se separan los pies en el suelo, como resultado de la utilizacin de latierra como conductor (circulacin de corriente por la tierra fsica). En el casodel hombre, con fines de clculo, la separacin adoptada es de un metro.En el caso de ganado, se sugiere utilizar 1.5 m.

2.14 Tensin de toque

Es la tensin que aparece entre manos y pies o entre mano y mano de unapersona, cuando ambas partes tocan conductores diferentes (por ejemplo lamano toca un objeto metlico con tensin G.P.R. y los pies se depositan enel suelo que tiene un potencial igual al de la superficie)

2.15 Tensin transferida

Es la peor tensin de toque, la cual ocurre cuando los pies estn en tierraremota y al menos una mano toca un objeto metlico que tiene una tensinigual al G.P.R, o cuando una mano toca un objeto a un G.P.R. de un sistemade tierra y la otra mano toca un objeto a otro G.P.R. diferente. Para que estoocurra debe salir del sistema de tierras, un conductor que se aleje y puedaser tocado a cierta distancia del sistema de tierras.



2.16 Resistencia de puesta a tierra

Es la relacin entre el G.P.R y la corriente que lo produce.

2.17 Resistividad del terreno

Es una propiedad del terreno que cuantifica la capacidad conductiva delmismo. Aunque su valor se expresa generalmente en Ohm-m, dichapropiedad es independiente de la geometra del cuerpo en el que se mide ypor lo tanto no depende de la longitud. Su inverso es la conductividad(expresada en S/m).

3. FUNCIONES DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

Una de las discusiones ms frecuentes entre los ingenieros de diseoconsiste en decidir cuando dos sistemas de puesta a tierra deben separarseo unirse.

Esta comn controversia se da generalmente porque no tienen claridad sobrelas funciones que pueden cumplir los sistemas de puesta a tierra y enconsecuencia no pueden establecer fcilmente cundo un solo sistemapuede cumplir varias funciones o cundo un sistema puede interferir en otro.

Para dar alguna luz en este sentido, se presentan a continuacin lasprincipales funciones que cumplen los sistemas de puestas a tierra, susexigencias tcnicas para cumplir adecuadamente sus funciones y losprincipales criterios que deben seguirse para su diseo.

3.1 Malla de tierra de la subestacin

Malla de conductores horizontales y electrodos verticales diseada con el finde equipotencializar el suelo con el G.P.R., controlando as los potencialesde paso y de toque dentro de una subestacin elctrica, cuando ocurrenfallas en el sistema A.C. que usan la tierra como uno de los conductores deretorno.

Para cumplir su funcin no es necesario que tenga un bajo valor deresistencia de puesta a tierra, aunque el tenerlo facilita mucho el control detales tensiones, en especial si se deben controlar potenciales transferidosfuera de la subestacin.

Su diseo se efecta con mtodos convencionales como la Norma IEEE 80 oel mtodo de las imgenes.



3.2 Puesta a tierra de descargas atmosfricas

Disposicin de electrodos y cables enterrados cuya funcin es ofrecer unabaja impedancia a la corriente del rayo a fin de que la onda viajera rebote endireccin del canal ionizado por donde se produjo, evitando de esta formadiferencias de potencial y consumos de energa en el sistema elctrico ni enel sistema de tierras.

Para su correcto funcionamiento no exige tener un bajo valor de resistenciade puesta a tierra, aunque en caso de ser tcnica y econmicamente posible,resulta recomendable porque se facilita la equipotencializacin de las partesdel sistema, debido a que dada la caracterstica de onda viajera de lapropagacin, el logro de la equipotencialidad slo puede hacerse porsectores del sistema y no tan globalmente como pudiera desearse, obligandoa que en sistemas complejos (antenas de comunicaciones) se requiera hacerun diseo muy detallado para lograr equipotencializacin.

En el diseo de sistemas de puesta a tierra para descargas atmosfricasdebe tenerse en cuenta la disposicin de electrodos verticales en el punto deunin de los cables no enterrados del sistema con la parte enterrada, ya quela disposicin de varillas es mucho ms eficiente que los conductoresenterrados debido a la inductancia que introduce el quiebre vertical -horizontal de la bajante al cable enterrado.

Cabe anotar que frecuentemente la resistencia de puesta a tierra leda parabaja frecuencia, es radicalmente diferente de la impedancia al impulso quepresenta un sistema de tierras. En general para electrodos pequeos(varillas, mallas cortas) la resistencia al impulso es superior a la resistenciade baja frecuencia, mientras para mallas grandes (subestaciones, centrales)ocurre lo contrario.

Un adecuado diseo de sistemas de puesta a tierra para rayos, exigeconsiderar en los modelos de respuesta transitoria del sistema, la ionizacindel piso y la variacin de parmetros del piso y de los cables con lafrecuencia.

Dado que las corrientes de los rayos y sus tasas de crecimiento son tanelevadas, no puede pensarse que dentro de un mismo sistema elctricopuedan separarse galvnicamente ni electromagnticamente los equipos delsistema de apantallamiento y puestas atierra para rayos. Por esta razn ysiguiendo el concepto de equipotencialidad la mejor alternativa tcnica esunir el sistema de puestas a tierra contra descargas atmosfricas con losdems sistemas de tierra de la instalacin, al menos durante el perodo que



dure el transitorio. De esta forma se busca equipotencializar y evitar flameosentre tierras y diferencias de tensiones en equipos y personas.

Este es uno de los conceptos ms difcilmente aprehendidos por losprincipiantes en el tema de los sistemas de puesta a tierra, quienes sueantodava en lograr aislamientos elctricos para rayos dentro de una mismainstalacin.

3.3 Puesta a tierra de referencia para equipo electrnico (tierra lgica)

Es una puesta a tierra cuya funcin es referenciar todos los equipos que secomunican entre s, con un valor nico de referencia de tensin de 0 voltios.Para lograrlo utilizan cables aislados de tierra (es decir que no formen lazosde tierra al tocar accidentalmente partes conectadas a tierra fsica) y en loposible alejados de flujos magnticos residuales de circuitos de potencia, loscuales tambin inducen tensiones terminales diferentes de cero.

Las puestas a tierra de referencia se disean de tal forma que slo estnconectadas a tierra fsica en un punto nico a fin de evitar lazos de tierra.

El valor de resistencia de puesta a tierra es un buen parmetro paraestablecer qu tan buena es una puesta a tierra de referencia, sin embargo elverdadero parmetro que establece si una puesta a tierra de referencia esadecuada, es su tensin de interferencia. Obviamente mientras menor sea elvalor de resistencia de puesta a tierra, ms poderosa tiene que ser la fuenteinterferente par crear una tensin de interferencia inadecuada. Los valoresde tensin de interferencia sospechosos son cercanos a 1 voltio r.m.s debidoa que las tensiones de comunicacin de modems frecuentemente no superanlos 2 voltios.

3.4 Puesta a tierra de esttica

Es una puesta a tierra cuya funcin es drenar las cargas generadas porprocesos industriales, mquinas, etc. En zonas de reas clasificadas, dondela presencia de una chispa elctrica de ms de 1 Julio de energa puede serde alta peligrosidad, la resistencia de puesta a tierra de este sistema debeser alta a fin de limitar la corriente resultante de la chispa. Generalmente unvalor de 4 Mohm a 10 Mohm es normal en estos casos.

En otros sistemas donde no se tienen problemas de chispas el valor deresistencia de puesta a tierra puede ser tan bajo como se quiera.



3.5 Malla de alta frecuencia

Es una malla que opera por el principio de la ley de Lenz, conformando lazosentre conductores que conforman una malla al aire y cuya funcin es la deapantallar perturbaciones externa a una instalacin tales como lasprovenientes de seales de radio o inducciones indirectas producidas porrayos o fallas elctricas.

Para su correcto funcionamiento no requieren estar conectadas a tierra ygeneralmente se aterrizan al menos en un punto por normas de seguridadelctrica.

Su criterio de diseo se basa en construir cuadrculas de una veintsimaparte de la longitud de onda de la seal de mxima frecuencia que se quieraapantallar. En centros de control es usual trabajar con frecuencias aapantallar de hasta 30 MHz.

3.6 Puesta a Tierra de seguridad (tierra mecnica)

Sistema de puesta a tierra que pretende reducir la impedancia de retorno a lafuente durante fallas utilizando electrodos de puesta a tierra. Se diseancomo refuerzo de los conductores de tierra de proteccin y su uso seconstituye en un sistema elctrico multi aterrizado, por ejemplo el de laslneas de transmisin o las puestas a tierra de gabinetes de baja tensin. Ensistemas electrnicos estas puestas a tierra no son recomendadas ya queconforman lazos de tierra que producen interferencias por circulacin decorrientes parsitas por acople inductivo con cables de potencia.

4. ANLISIS DE FUNCIONES

Los diversos sistemas de puesta a tierra cumplen funciones muy diferentes.A veces es importante tener altos valores de resistencia de puesta a tierra, aveces es indiferente tenerlos y a veces es muy difcil equipotencializar conesos altos valores.

Es importante tener en cuenta que los valores de resistencia de puesta atierra no pueden decretarse, es decir que obedecen a un compromiso tcnico econmico cuya dependencia es por un lado la resistividad del terreno(caracterstica muy difcil de afectar a bajo costo) y por otro la geometra dela malla (costosa). En estas circunstancias, con frecuencia es preferiblehacer un diseo detallado para equipotencializacin de la instalacin, queuna inversin costosa en reducir como sea la resistencia de puesta a tierra.



Los criterios de diseo relacionados con el uso de electrodos horizontales overticales son diferentes si se trata de mallas a 60 Hz o de descargasatmosfricas.

Las tensiones de interferencias pueden ser relativamente altas cuando setrata de sistemas de puesta de seguridad, pero inaceptables si se trata desistemas de tierra de referencia.

Las tensiones elevadas neutro tierra se reducen balanceando cargas,mejorando calibres de neutro o reduciendo distancias del circuito. Laresistencia de puesta a tierra no afecta este valor.

La tensin de interferencia se reduce eliminando las cargas que producencorrientes residuales, eliminando multiaterrizamientos del sistema y bajandoel valor de resistencia de puesta a tierra.

Un mismo sistema de puesta a tierra puede cumplir muchas funciones, comoser malla de la subestacin, puesta a tierra de descargas atmosfricas, tierrade referencia y puesta a tierra de descargas estticas. Esto no implica que latierra sea nica, sino que por fortuna es tan buena que sirve a muchasfunciones.

Una puesta a tierra de descarga atmosfrica debe estar tan cercana comosea posible del equipo o sistema que pretende proteger. As que la lejanade una buena malla puede ser suficiente razn para desecharla como puestaa tierra de rayos.

Crear tierras independientes es posible siempre y cuando haya unaseparacin galvnica entre ellas dada por un transformador (nonecesariamente debe ser transformador de aislamiento). Generalmente seutilizan tierras independientes cuando la tensin tierra neutro es muygrande, cuando una malla tiene tensin de interferencia inaceptable o cuandoes una exigencia expresa de un suministrador de equipos. No obstante,durante descargas atmosfricas las tierras se deben unir o el riesgo de daosser alto.

El uso de tierras centralizadas es la prctica ms segura dentro de un diseoque no tenga aspectos especiales a considerar. Cuando se requiere separartierras se necesita un anlisis concienzudo a fin de eliminar riesgos por faltade equipotencialidad.



5. CONCLUSIONES

Se han presentado una serie de definiciones y principios de diseo con el finde homologar conceptos sobre las funciones que cumplen los sistemas depuesta a tierra.

Se discutieron los aspectos para identificar las diversas funciones de laspuestas a tierra y se generaron criterios para establecer cuando se puedenasignar varias de estas funciones a un sistema centralizado y cmo saber sideben separarse estas tierras.

Queda no obstante un gran campo de discusin, abierto y apasionante queno permite generalizar todos los casos y que hace parte del gusto mismo queeste tema tan sencillo tiene en todos los que le hemos dedicado tanto tiempoa estudiarlo.

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