Objetivos de la Puesta a tierra

Encuadre de la Materia: DISEO DE REDES DE TIERRA PARA SISTEMAS ELCTRICOSAgosto - 2014

IEEE80IEEE142NESCNEC250IEEE C62.92IEEE1100

Electrodos de Tierra

Usados en instalaciones elctricas regidas por el NECElectrodos de TierraUsados en instalaciones elctricas regidas por el NEC

Electrodos fabricadosElectrodos manualesBarras de acero de refuerzo embebidos en concretoCables enterradoMallas de tierraPlacas metlicas enterradasContrapesos

El tipo de electrodo a utilizar depender del suelo y profundidad disponible

Electrodos fabricadosLas mallas son frecuentemente utilizadas en subestaciones y estaciones generadoras, donde el alto costo se justifica en proteger la vida y la propiedadLas placas metlicas no son utilizadas frecuentemente en los ltimos aos por su costo ms elevadoLas placas metlicas son menos eficientes que las varillasLos contrapesos es una forma de cable enterrado mayormente utilizados en la puesta a tierra de torres y estructuras de transmisin de energaElectrodos fabricadosCuando mltiples electrodos son utilizados, un espaciamiento menor a tres metros no proveer el mejor aprovechamiento de los materialesDonde las condiciones lo permitan, unas pocas varillas profundas son usualmente ms satisfactorias que una cantidad de cortas varillas, puesto que generalmente la resistividad decrece con la profundidad (aunque esto no siempre es el caso)

Comportamiento de una Varilla de PATComponentes de la resistencia a tierra en un electrodo:

La resistencia de los electrodos de metal

Resistencia de contacto entre el metal y el suelo

Resistencia del suelo

Las primeras son despreciables respecto a la resistencia del suelo

Comportamiento de una Varilla de PATRadio de influencia de una varilla: L

Comportamiento de una Varilla de PATLa tierra tiene suficiente capacidad para transportar corrientes de tierraLas que son de origen transitorio (descargas atmosfricas y fallas del sistema elctrico) se disipan principalmente en forma de calorAlrededor de la varilla hay una suma de resistencia que forman virtualmente capasLas capas ms cercanas tienen un rea menor y por lo tanto la resistencia ms altaCon el incremento del radio, la resistencia incremental por unidad de radio, decrece efectivamente a cero

Comportamiento de una Varilla de PAT

En un radio de 15 a 30 cm, se define el 52 y 68%, de la resistencia de una varilla, por lo que se puede dar un tratamiento efectivo con sales, material selecto o concreto.Comportamiento de una Varilla de PATFuente: IEEE142

Efecto de la temperaturaComportamiento de una Varilla de PATFuente: IEEE142Efecto de la humedad

Comportamiento de una Varilla de PATFuente: IEEE80Efecto de la sal, humedad y temperatura

Comportamiento de una Varilla de PATLa resistividad de una varilla variar con la humedad, contenido qumico soluble, compacidad y la temperatura.

Frmula para calcular la resistividad de una varilla de 5/8 y 3 m:

Comportamiento de una Varilla de PAT

En donde:: es la resistividad del suelo homogneo, .mL: longitud de la varilla, ma: radio de la varilla, mR: es la resistencia de tierra, Comportamiento de una Varilla de PAT

Comportamiento de una Varilla de PAT

EJEMPLO

Comportamiento de una Varilla de PATLa separacin entre dos varillas como mnimo deber ser 1.83 m (6 pies) como mnimo de acuerdo al NEC; h, segn el NEC debe ser 0.762 m (2 pies), mnimo. En la figura se establece una recomendacin de la norma Mexicana para usar 2L, como separacin ptima.Lh2LComportamiento de una Varilla de PATDos ms varillas en paralelo reducirn el valor de la resistencia de puesta a tierraMltiples electrodos no reducirn la resistencia de tierra a menos que se logre un espaciamiento adecuadoMltiples electrodos con corta separacin no tendrn una resistencia proporcional a la cantidad de varillas enterradasEsta caracterstica se debe a la resistencia mtua, en el cual la resistencia de una varilla incrementa el voltaje de la otra2LComportamiento de una Varilla de PATMltiples varillas en paralelo darn una resistencia ms baja que una solaMltiples varillas son usadas para obtener bajos valores de resistencia en instalaciones de alta capacidadDos varillas en paralelo no darn la mitad de la resistencia de una varilla, a menos que se separen una distancia equivalente a varias longitudes de la varilla2LComportamiento de una Varilla de PATLa IEEE142 recomienda utilizar de 2 a 24 varillas en lnea en configuracin lineal, triangular, crcular o cuadradado. Las varillas separadas una distancia equivalente a la longitud de la varilla. La resistencia ser el valor de resistencia de una varilla dividida entre n (total de varillas) y multiplicada por el factor F dado en la tabla.Para valores de n distintos a los de la tabla, se usar una interpolacin

Comportamiento de una Varilla de PATEfecto de calentamiento:El 25% de la resistencia se encuentra a 3 cm de la superficie de la varillaOcurre un alto calentamiento y vaporizacin de la humedad en fallas de alta energaEn esta condicin se reduce la efectividad de la varillaNo se debe exceder los A/m indicado por la ecuacin 4.2 de la IEEE142Este tipo de evento ocurre cuando una falla no se libera oportunamenteLa red de tierra debe cubrir suficiente rea y tener suficiente nmero de electrodos

Ecuacin 4.2 IEEE142. En donde:

I: Corriente mxima en A/md: dimetro de la varilla, mm: resistividad, .mt: tiempo (tpicamente, 1 s) Prdida de efectividad de los electrodosPrdida de humedadCorrosinHurto del conductor de conexin al electrodoEfecto de altas corrientesDao fsicoPrdida de compacidad del sueloMtodo de instalacinSe logra mejor contacto con un electrodo hincado verticalmente, que enterrando la varilla dentro de una oquedad previamente preparada y luego compactando

Si se debe hacer una perforacin, la compactacin se puede evitar mediante el colado con suelo cemento fluidoComportamiento de una Varilla de PATTratamiento del sueloMediante tratamiento qumico se puede reducir la resistividad 15 a 90% (dependiendo la clase y textura del suelo)Se usa: cloruro de sodio, sulfato de magnesio, sulfato de cobre y cloruro de calcioComnmente se usa, sal comn y sulfato de magnesioLos qumicos son generalmente aplicado en una trinchera circular alrededor del electrodo para evitar contacto con la varillaComportamiento de una Varilla de PATTratamiento del suelo

Fuente: http://constructionmanuals.tpub.com/14026/css/14026_73.htm Varilla embebida en concretoUfer groundCEE (Concrete Encased Electrode)

Varilla embebida en concretoUfer groundEste mtodo de puesta a tierra se ha usado por ms de 60 aosHa probado ser efectivo y seguro en la puesta a tierra en instalaciones industriales, comerciales y de gobierno, como tambin en proteccin contra rayosEl concreto es un conductor razonable, como un suelo hmedoEl concreto rpidamente absorbe la humedad y la pierde lentamenteLos electrodos Ufer son excelentes en suelos secos y desrticosLa alcalinidad y sales del concreto reduce su resistividad (alto pH)

Varilla embebida en concretoUfer groundEl volumen de concreto incrementa el rea de contacto con el suelo y hay un efecto de dopado, reduciendo la resistenciaEn su esquema original, Ufer usaba cobre embebido en concreto pero el alto pH atacaba al cobre y lo debilitaba, por lo que reemplaz el cobre por aceroEs prctica en EU, conectar un pedazo de cable de cobre a una barra de refuerzo lo que sirve como electro de tierraEn algunas reas de EU (IOWA), las tierras Ufer son requeridas para todas las viviendas y comercios

Varilla embebida en concretoUfer groundEl NEC 2014 (versin draft), trata este mtodo de puesta a tierra en la seccin 250.52 A(3)Dimensionado mnimoLongitud = 6 mMaterial: Acero galvanizado, acero de refuerzo o conductor de cobreDimetro de las barras: 13 mm ( pulg)Seccin conductor de cobre: 4 AWGConexin: Alambre de amarre de acero, soldadura exotrmica, soldadura u otro medio efectivoContacto de la cimentacin con el suelo: Requerido (fundacin horizontal o vertical)

Varilla embebida en concretoLa resistividad del concreto a 20C es 30 .mEn suelos de alta resistividad, se logra obtener ms bajos valores de resistividad , cuando se instala la varilla o cable dentro de concretoEl efecto es similar a tratar qumicamente el sueloSe puede aprovechar a utilizar el acero de refuerzo como un electrodo de tierra. Pero esto debe ser planeado con anticipacin

Varilla embebida en concretoPueden obtenerse resistencias de 1 menos (0.25 )Las conexiones al acero de refuerzo de una edificacin se puede hacer con conectores empernados o soldaduras exotrmicasSi altas corrientes de fallas existen, se debe escoger barras de refuerzo de la seccin adecuada (usar IEEE80)

Varilla embebida en concretoLa tcnica de utilizar el acero de refuerzo de construcciones no siempre es efectiva para la puesta a tierra. En su lugar se puede utilizar cable de cobre embebido Pueden ocurrir falla en la estructura de refuerzo por el paso de altas corrientes de falla o continuas corriente de fuga

Varilla embebida en concretoEl efecto del paso de altas corrientes de falla por el concreto armado, provoca la prdida repentina de humedad y el concreto puede estallar y generar una falla estructural

Varilla embebida en concreto

Grandes oportunidades para la puesta a tierra en un edificio y/o centro comercialVarilla embebida en concretoLa tabla 4-7 da formas para evaluar la cantidad de acero de refuerzo a utilizar en el sistema de puesta a tierra y evitar daos en el concreto armado

Varilla embebida en concretoLos electrodos embebidos en concreto han demostrado un mejor desempeo que otras alternativas en terrenos rocosos, donde las excavaciones se vuelven irregulares. Esta tcnica se ha empleado en torres de transmisin de energa

Varilla embebida en concreto

Cimentacin de torres de transmisin con cuatro patas

Varilla embebida en concretoAplicacin en mallas de subestaciones (IEEE80, seccin 14.5)Usado solamente como electrodo auxiliarAplicar con precaucin para eludir daosVarillas de refuerzo se instalan dentro de concretoUsar la ecuacin 60 para diseo:

Placa metlicaPoca diferencia en la resistencia entre placas verticales y horizontales

Placas de 0.9 a 1.9 m2

Profundidad de enterramiento de 1.52 a 2.4 m

Electrodo Electrolticoe

.

ClculoDiseo de Redes de TierraDRT"Estamos haciendo una diferencia en El Salvador"

ACTIVIDAD:Clculo de la Resistencia de Puesta a Tierra para la configuracin de varilla verticalsegn Frmula de Dwight (IEEE Std 142-1991)

Datos:Resultados:

:200.mRg =67.07L:3m** Longitud de varillaCantidad =1VarillaMaterialAcero recubierto de CuDimetro0.625pulgConfiguracin

Requisitos de las Varillas (Seccin 250-52, NEC)

- Material: Cobre, Acero galvanizado y Acero Inoxidable - Dimetro mnimo: a) 5/8 pulg. (15.87 mm) si es de Cobre o Acero galvanizado; b) pulg. (12.7 mm) para varillas de acero Inoxidable - Longitud mnima: 8 pies (2.44 m) - Longitud mnima enterrada en pleno contacto con el suelo: 8 pies (2.44 m). Instalacin vertical o en ngulo (hasta 45) - Separacin mnima entre dos varillas: 6 pies (1.83 m)Clculo:a =0.794cmL =300cm20000.cmResultados:Rg =67.07

Modelo

IEEE 142

IEEE 80IEEE 142NESCNEC250IEEE C62.92

Datos VarillasDATOS DE VARILLAS CILNDRICASMATERIALLONGITUDDIMETROPIESmPULGmCOBRE82.445/80.02COBRE103.055/80.02COBRE123.665/80.02COBRE154.575/80.02