TEORIA Y DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

0.1. INTRODUCCION. 

Los procedimientos para diseñar sistemas de tierras se basan en conceptos tradicionales, pero su aplicación puede ser muy compleja. Los conceptos son ciencia, pero la aplicación correcta es un arte, ya que cada instalación es única en su localización, tipo de suelo, y equipos a proteger. 

Como se puede invertir tanto dinero como se desee en un sistema de tierras, se plantearán en los siguientes capítulos los puntos a observar en un diseño básico. Con estas direcciones se resolverán la mayoría de los problemas, pero en los casos complejos, es preferible consultar la bibliografía proporcionada.

0.2. PROPOSITO Y TIPOS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

Para su estudio apropiado se estudiarán los sistemas de tierra según su aplicación.

0.2.1 Puesta a tierra de los sistemas eléctricos.- El propósito de aterrizar los sistemas eléctricos es para limitar cualquier voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o, de contactos no intencionales  con cables de voltajes más altos.  Se logra uniendo mediante UN CONDUCTOR APROPIADO A LA CORRIENTE DE FALLA A TIERRA TOTAL DEL SISTEMA, una parte del sistema eléctrico al planeta tierra.

0.2.2 Puesta a tierra de los equipos eléctricos.- Su propósito es eliminar los potenciales de toque que pudieran poner en peligro la vida y las propiedades y, para que operen las protecciones por sobrecorriente de los equipos. Se logra conectando al punto de conexión del sistema eléctrico con el planeta tierra, todas las partes metálicas que pueden llegar a energizarse, mediante  CONDUCTOR APROPIADO A LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO DEL PROPIO SISTEMA EN EL PUNTO EN CUESTION.

0.2.3 Puesta a tierra en señales electrónicas.- Para evitar la contaminación con señales en FRECUENCIAS diferentes a la deseada. Se logra mediante blindajes de todo tipo conectados a una referencia cero, que puede ser el planeta tierra. 

0.2.4 Puesta a tierra de protección electrónica.- Para evitar la destrucción de los elementos semiconductores por

VOLTAJE, se colocan dispositivos de protección conectados entre los conductores activos y la referencia cero, que puede ser el planeta tierra.

0.2.5 Puesta a tierra de protección atmosférica.- Sirve para canalizar la ENERGIA de los rayos a tierra sin mayores daños a personas y propiedades. Se logra con una malla metálica igualadora de potencial conectada al planeta tierra que cubre los equipos o edificios a proteger.

0.2.6 Puesta a tierra de protección electrostática.- Sirve para neutralizar las CARGAS ELECTROSTATICAS producidas en los materiales dieléctricos. Se logra uniendo todas las partes metálicas y dieléctricas, utilizando el planeta tierra como referencia de voltaje cero.

La regla es:  Cada sistema de tierras debe cerrar únicamente el circuito eléctrico que le corresponde.

1. PUESTA A TIERRA DE SISTEMAS ELÉCTRICOS

1.1 SISTEMAS DE ALAMBRADOS QUE REQUIEREN CONEXIÓN A TIERRA SEGÚN LA NOM-001-SEDE.  

1.1.1 Sistemas eléctricos en c.c. de no más de 300 V, a menos de que alguna de las siguientes condiciones se cumpla: 

a. Suministren energía a sistemas industriales en áreas limitadas y sean equipados con un detector de tierra. 

b. Operen a menos de 50 V entre conductores. c. Sean alimentados con un rectificador desde un sistema en c.a. aterrizado.

1.1.2 Sistemas de c.c. en tres hilos.

1.1.3 Sistemas eléctricos derivados en c.a. cuando el voltaje a tierra esté entre 50 y 150 volts.  Ver definición de Sistema derivado en la NOM-001-SEDE-1999 [1.3]Sección 250-5d.

1.1.4 Sistemas de c.a. de menos de 50 V si están alimentados por transformadores de sistemas a más de 150 V a tierra o de sistemas no aterrizados. 

1.2 SISTEMAS DE ALAMBRADOS EN C.A. QUE PUEDEN NO SER ATERRIZADOS SÓLIDAMENTE. 

1.2.1 Los sistemas en c.a. de 50 a 1000 V que cumplan con los siguientes requisitos no se requiere que estén aterrizados.

a. Sistemas eléctricos de hornos industriales.b. Sistemas derivados que alimenten únicamente rectificadores de controles de velocidad 

variable.

c. Sistemas derivados aislados que son alimentados por transformadores cuyo voltaje primario   es   de  menos   de   1000V,   siempre   que   todas   las   condiciones   adicionales siguientes se cumplan:    

   1. El sistema solamente se use en control.   2. Que solamente personal calificado tenga acceso a la instalación.   3. Que se tengan detectores de tierra en el sistema de control   4. Que se requiera continuidad del servicio. 

d. Sistemas aislados en hospitales y en galvanoplastia permitidos por la NOM [1.3]{517, 668}.

e. Sistemas aterrizados mediante una alta impedancia que limita la corriente de falla a un valor bajo. Estos sistemas se permiten para sistemas en c.a. tres fases de 480 a 1000 V, donde las siguientes condiciones se cumplen:

1. Solamente personal calificado da servicio a las instalaciones.2. Se requiere continuidad del servicio. 3. Se tienen detectores de tierra en el circuito. 4. No existan cargas conectadas entre línea y neutro.

En la figura se muestran diferentes arreglos para conectar los mencionados detectores de falla a tierra.

En práctica, los sistemas industriales en media tensión son normalmente aterrizados mediante una resistencia de valor bajo. Éso es, típicamente se conecta una resistencia de 400 A en el neutro del transformador. Esta corriente máxima de falla no es muy dañina a los equipos, pero requiere relevadores/detectores de falla a tierra (Tipo ANSI 50GS) rápidos.

1.3 CONDUCTOR A ATERRIZARSE.

En los siguientes sistemas en c.a. se conectará a tierra:

a. Una fase, dos hilos   : El conductor de tierra. b. Una fase, tres hilos   : El neutro. c. Sistemas polifásicos    que tienen un hilo común a todas las fases: El conductor común. 

d. Sistemas polifásicos que tiene una fase aterrizada   : Este conductor. e. Sistemas polifásicos en general   : Solo puede estar aterrizado el conductor común  o  

cuando no lo hay,  una fase. 

El forro del conductor puesto a tierra (aterrizado) debe ser de color blanco o de color gris claro. [1.3]{200-6}.

1.4 LUGAR DE PUESTA A TIERRA DEL SISTEMA.

1.4.1 En sistemas en c.c. la tierra debe estar en la estación rectificadora únicamente.

El calibre del conductor de puesta a tierra no debe ser menor que el más grueso del sistema y nunca menor a calibre 8 AWG.

1.4.2  Los sistemas de c.a.  deben conectarse a tierra en cualquier  punto accesible entre el secundario   del   transformador   que   suministra   energía   al   sistema,   y   el   primer  medio   de desconexión o de sobrecarga. [1.3]{250-23a}.  

Y, debe existir en el neutro otra puesta a tierra en la acometida a cada edificio en un punto accesible en los medios de desconexión primarios [1.3]{250-24}. 

Este conductor de puesta a tierra del sistema no debe ser menor al requerido por la Tabla 250-94 de la NOM [1.3], excepto el conductor que se conecta a varillas electrodos, o a electrodos de concreto, donde  no es necesario que sea mayor que calibre 6 AWG en cobre o 4 AWG en aluminio.

Tabla 250- 94. Conductor del electrodo de tierra de instalaciones de c.a.Tamaño nominal del mayor conductor de entrada a la acometida o sección equivalente de conductores en

paralelo mm2 (AWG o kcmil)

Tamaño nominal del conductor al electrodo de tierra

mm2 (AWG o kcmil)

Cobre Aluminio Cobre Aluminio

33,62 (2) o menor

42,41 o 53,48 (1 o 1/0)

67,43 o 85,01 (2/0 o 3/0)

Más de 85,01 a 177,3

(3/0 a 350)

Más de 177,3 a 304,0

(350 a 600)

Más de 304 a 557,38

(600 a 1100)

Más de 557,38 (1100)

53,48 (1/0) o menor

67,43 o 85,01 (2/0 o 3/0)

4/0 o 250 kcmil

Más de 126,7 a 253,4

(250 a 500)

Más de 253,4 a 456,04

(500 a 900)l

Más de 456,04 a 886,74

(900 a 1750)

Más de 886,74 (1750)

8,367 (8)

13,3 (6)

21,15 (4)

33,62 (2)

 

53,48 (1/0)

 

67,43 (2/0)

 

85,01 (3/0)

13,3 (6)

21,15 (4)

33,62 (2)

53,48 (1/0)

 

85,01 (3/0)

 

107,2 (4/0)

 

126,7 (250)

Cuando no sea una acometida, se hace el cálculo sobre la sección de los conductores en paralelo.

Asimismo, el puente de unión principal debe ser del mismo calibre obtenido según la misma tabla [1.3]{250-79}.

Generalmente el conductor del electrodo de puesta a tierra es conectado a la terminal del neutro en el gabinete del interruptor principal donde existe el puente de unión principal entre las terminal del neutro y el gabinete  {250-24}.

Donde un tubo metálico es utilizado como canalización entre el medidor y el interruptor principal, la conexión del conductor puesto a tierra (neutro) crea un circuito paralelo al circuito de puesta a tierra, por lo que esta conexión debe hacerse lo más corta posible porque en los medidores, la terminal del neutro está unida a la carcaza metálica de los medidores. Es importante notar que en sistemas derivados, este circuito paralelo no está permitido por la sección {250-30} de la NOM-001.

1.4.3 En un sistema derivado separado. Una conexión del neutro a la carcaza se requiere en los sistemas   derivados   separados,   tales   como   los   que   cuentan   con   transformadores   o   con 

generadores   localizados  en  edificios   {250-26(a)}.  Ésto  se   logra  conectando   la   terminal  del neutro del sistema derivado al sistema de tierra. En los transformadores, instalando un puente de unión de la terminal X0 (neutro) del transformador a la carcaza del mismo, o al lado de carga del gabinete del centro de cargas.

2. PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELÉCTRICOS

Los sistemas de puesta a tierra de equipos, por su importancia como medio de protección están muy normalizados a nivel mundial. En nuestro país, la norma vigente de Instalaciones Eléctricas, NOM-001-SEDE-1999 [1.3], contiene los requisitos mínimos de seguridad desde el punto de vista de la conducción de corrientes de falla. 

En los siguientes puntos se establecerá lo más importante de dicha norma al respecto.

  2.1 EQUIPOS Y CANALIZACIONES QUE DEBEN ESTAR PUESTOS A TIERRA.

  2.1.1 Canalizaciones Metálicas.

Deben estar aterrizadas, en general, todas las canalizaciones metálicas.

     

2.1.2 Equipo Fijo en General {250-42}. 

Bajo cualquiera de las siguientes condiciones, las partes metálicas que no conduzcan electricidad y que estén expuestas y puedan quedar energizadas, serán puestas a tierra:

a. Donde el equipo está localizado a una altura menor a 2.4 m, y a 1.5 m horizontalmente de objetos aterrizados y al alcance de una persona que puede hacer contacto con alguna superficie u objeto aterrizado.

b. Si el equipo está en un lugar húmedo y no está aislado, o está en contacto con partes metálicas.

c. Si el equipo está en un lugar peligroso o, donde el equipo eléctrico es alimentado por cables con cubierta metálica.

d. Si el equipo opera con alguna terminal a más de 150 V a tierra, excepto en: 

1. Cubiertas de Interruptores automáticos que no sean el interruptor principal y, que sean accesibles a personas calificadas únicamente {250-42 Exc. 1 }.

2. Estructuras metálicas de aparatos calentadores, exentos mediante permiso especial y si están permanentemente y efectivamente aisladas de tierra {250-42 Exc. 2}.

3. Carcazas de transformadores y capacitores de distribución montados en postes de madera a una altura mayor de 2.4 m sobre nivel del piso {250-42 Exc. 3}.

4. Equipos protegidos por doble aislamiento y marcados de esa manera {250-42 Exc. 4}.

2.1.3 Equipo Fijo Específico {250-43}. Todas las partes metálicas no conductoras de corriente de las siguientes clases de equipos, no importando voltajes, deben ser puestas a tierra, mediante los conductores calculados según la Tabla 250-95 de la NOM [1.3].

a. Armazones de Motores como se especifica en la NOM [1.3]{430-142}. b. Gabinetes de controles de motores, excepto los que van unidos a equipos

portátiles no aterrizados. c. Equipos eléctricos de elevadores y grúas. d. Equipos eléctricos en talleres mecánicos automotrices, teatros, y estudios de

cine, excepto luminarios colgantes en circuitos de no más de 150 Volts a tierra. e. Equipos de Proyección de cine. f. Anuncios luminosos y equipos asociados. g. Generador y motores en órganos eléctricos. h. Armazones de tableros de distribución y estructuras de soporte, exceptuando las

estructuras de tableros de corriente directa aislados efectivamente. i. Equipo alimentado por circuitos de control remoto de clase 1, 2 y 3 y circuitos

de sistemas contra incendios cuando la NOM [1.3] en la parte B del Articulo 250 requiera su aterrizado.

j. Luminarios conforme a la NOM [1.3] en sus secciones 410-17 a 410-21 . k. Bombas de agua, incluyendo las de motor submergible. l. Capacitores [1.3]{460-10}. m. Ademes metálicos de pozos con bomba submergible. 

2.1.4 Equipos No Eléctricos {250-44}.

Las siguientes partes metálicas de equipos no eléctricos serán puestas a tierra:

a. Estructuras y vías de grúas operadas eléctricamente. b. La estructura metálica de elevadores movidos no eléctricamente, a las que están

sujetos conductores eléctricos.

c. Los cables de acero de los elevadores eléctricos. d. Partes metálicas de subestaciones de voltajes de mas de 1 kV entre conductores. e. Casas móviles y vehículos de recreo. {550 y 551}.

2.1.5 Equipos Conectados por cordón y clavija {250-45}.

Exceptuando los aparatos doble aislados o, conectados mediante un transformador de aislamiento con secundario a no más de 50 Volts todas las partes metálicas que puedan llegar a estar energizadas de equipos conectados mediante cordón, deben ser puestas a tierra en:

a. En lugares clasificados peligrosos {500-517}. b. Cuando operan esos equipos a más de 150 V a tierra.  c. En casas habitación: 

1.  refrigeradores, congeladores y, aires acondicionados2.  lavadoras de ropa, secadoras, lavaplatos, y equipos eléctricos de acuarios3.  herramientas manuales eléctricas y, 4. lámparas portátiles de mano.

    d. En otros lugares, no residenciales, 

1. refrigeradores, congeladores, y aire acondicionados;2. lavadoras, secadoras y maquinas lavaplatos, computadoras, y equipos eléctricos

de acuarios;3.  herramientas manuales portátiles 4.  Los aparatos motorizados como: podadoras y limpiadoras de pisos.5.  Herramientas que se usen en ambientes húmedos o mojados o por personas que

trabajan dentro de tanques metálicos; y,6.  lámparas portátiles de mano.

2.1.6 Instalaciones Provisionales

Los requisitos mencionados arriba también deben cumplirse para todas las instalaciones provisionales {305-5}.   2.1.7 Líneas

Se debe poner a tierra toda cerca metálica que se cruce con líneas suministradoras, a uno y otro lado del cruce, a una distancia sobre el eje de la cerca no mayor a 45 m {921-29}.

Las estructuras metálicas, incluyendo postes de alumbrado, las canalizaciones metálicas, los marcos, tanques y soportes del equipo de líneas,...{922-9b}

2.2 PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS CONECTADOS MEDIANTE CORDÓN.

Las partes metálicas de equipos conectados mediante cordón y que deben estar aterrizadas, se conectan de una de las siguientes maneras:

1.  Por medio de un contacto "polarizado". 2.  Por medio de una conexión fija del cordón a un conductor de puesta a tierra.

3.  Por medio de un cable o trenza conductora, aislada o desnuda, protegida contra daño mecánico.

 2.3 PARTES METÁLICAS DE EQUIPOS FIJOS CONSIDERADAS ATERRIZADAS.

Se consideran aterrizados satisfactoriamente los equipos fijos, como cajas, gabinetes y conectores, cuando:

1. Están metálicamente conectados a una pantalla aterrizada de un cable o, a un gabinete aterrizado.

2. Están aterrizados mediante un cable desnudo o de color verde que está bien conectado a tierra.

3. El equipo en corriente directa está en contacto directo con la estructura aterrizada metálica de un edificio.

2.4 CONTINUIDAD ELÉCTRICA DEL CIRCUITO DE TIERRA.

La continuidad eléctrica de los equipos debe asegurarse por alguno de los siguientes métodos:

1.  Puente de unión al conductor de tierra de acuerdo con la NOM [1.3]{250-74}. 2.  Mediante conexiones roscadas en tubería rígida y eléctrica (EMT)- . 3.  Mediante conectores no roscados que se usan como accesorios de la tubería

rígida y la eléctrica (EMT). 

        4. Mediante puentes de unión a gabinetes.  

2.5 CIRCUITOS QUE NO SE DEBEN ATERRIZAR.

1. Los circuitos de grúas eléctricas operando en lugares con presencia de fibras combustibles {383}.

2. Circuitos aislados propios de quirófanos de hospitales {517}

2.6 CALIBRE DEL CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA DE LOS EQUIPOS ELECTRICOS.

De acuerdo con la NOM-001-SEDE-1999 en su sección {250-95} Tamaño nominal de los conductores de puesta a tierra de equipo, el tamaño nominal de los conductores de puesta a tierra de equipo, de cobre o aluminio, no debe ser inferior a lo especificado en la Tabla 250-95 siguiente.

Cuando haya conductores en paralelo en varias canalizaciones o cables, como se permite en {310-4}, el conductor de puesta a tierra de equipo, cuando exista, debe estar instalado en paralelo. Cada conductor de puesta a tierra de equipo instalado en paralelo debe tener un tamaño nominal seleccionado sobre la base de la corriente eléctrica nominal del dispositivo de protección contra sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalización o cable, según la Tabla 250-95.

NOM-001-SEDE-1999 Tabla 250-95. Tamaño nominal mínimo de los conductores de tierra para canalizaciones y equipos

                                                Tamaño nominal mm2 (AWG o kcmil)

Capacidad o ajuste máximo del dispositivo automático de protección contra sobrecorriente en el circuito antes de los equipos, canalizaciones, etc. (A)

Cable de cobre

Cable de aluminio

15 20 30 40 60

100 200 300 400 500 600 800

1000 1200 1600 2000 2500 3000 4000 5000 6000

2,082 (14) 3,307 (12) 5,26 (10) 5,26 (10) 5,26 (10) 8,367 (8) 13,3 (6)

21,15 (4) 33,62 (2) 33,62 (2) 42,41 (1)

53,48 (1/0) 67,43 (2/0) 85,01 (3/0) 107,2 (4/0) 126,7 (250) 177,3 (350) 202,7 (400) 253,4 (500) 354,7 (700) 405,37 (800)

----- ----- ----- ----- -----

13,3 (6) 21,15 (4) 33,62 (2) 42,41 (1)

53,48 (1/0) 67,43 (2/0) 85,01 (3/0) 107,2 (4/0) 126,7 (250) 177,3 (350) 202,7 (400) 304 (600) 304 (600)

405,37 (800) 608 (1200) 608 (1200)

Nota: Para poder conducir la corriente de falla a tierra los conductores de tierra de los equipos podrían ser de mayor tamaño que lo especificado en esta Tabla {250-51}.

2.7 CONSIDERACIONES PARA UN BUEN DISEÑO DE SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELÉCTRICOS.

 Un sistema de puesta a tierra bien diseñado, considera: 

1. Emplear las tuberías metálicas roscadas como conductores de puesta a tierra.

2. Usar los interruptores automáticos con detector de falla a tierra en las cocheras, cocinas, y obras en construcción {210-8}, {215-9} y {305-6}.

3.  Colocar el conductor de puesta a tierra de equipos junto con los cables de líneas y del neutro del mismo circuito, por dentro de la misma canalización metálica.

4. Que no obstante se corran cables en paralelo por diferentes canalizaciones, el calibre de todos los cables de puesta a tierra se calcule únicamente con el valor de la protección. 

3. PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS Y DE COMUNICACIONES

En los siguientes párrafos, se utiliza el frase "equipo electrónico" como sinónimo de aquel aparato que contiene circuitos integrados de alta densidad, conocidos como VLSI. Como ejemplos de ellos, tenemos a nivel doméstico y comercial: computadoras, sistemas de entretenimiento y, sistemas de comunicaciones. A nivel industrial: computadoras, CNCs, sistemas de control y de comunicaciones.

Por lo tanto, la frase "equipo electrónico" puede ser sustituida por cualquier de dichos aparatos.

3.1 TRANSITORIOS E INTERFERENCIAS [3.4].

Los equipos electrónicos no trabajan satisfactoriamente cuando se presentan transitorios o interferencias.

Transitorios.- La causa mayor de fallas de los componentes electrónicos de los puertos de interconexión de datos, y los de control en bajo voltaje, es el sobre-esfuerzo eléctrico que usualmente se origina en los transitorios causados por: (1) las descargas atmosféricas; (2) por las maniobras de interrupción de cargas inductivas, o; (3)  por descargas electrostáticas. Este sobre-esfuerzo es causado por voltajes de una magnitud de decenas de volts a varios miles de volts y, con duración de unas decenas de nanosegundos a unas centenas de microsegundos. Los que se conocen normalmente como "picos" de voltaje".

Ningún cable enterrado, ni siquiera de potencia, es inmune a los transitorios provocados por los rayos.

Los transitorios se eliminan mediante componentes conectados a la tierra del sistema. Ver: 3.3 PROTECTORES DE CABLES DE INSTRUMENTACIÓN Y DE COMUNICACIONES.

Las corrientes provocadas por las descargas atmosféricas prefieren viajar por conductores metálicos más que por la simple tierra, porque representan un camino de menor impedancia. Ésto destruye el aislamiento. Además, los rayos también causan una diferencia de potencial entre el blindaje y los conductores internos [3.9] que puede destruir componentes electrónicos en la interconexión, ya que los cables y sus circuitos de conexión deben soportar los voltajes máximos que se puedan obtener entre los extremos de los cables. Cuando es muy grave el problema debido a estar interconectando los cables dos sistemas de tierra diferentes, como en el caso de un sistema de control distribuido, los conductores se prefieren del tipo de fibra óptica. Otra solución utilizada es el interconectar los distintos sistemas de tierra de una industria o edificio mediante conexiones a una red de tierra perimetral adicional, para lograr el mismo potencial a tierra en cualquier lado.

Interferencia causada por armónicas.- Las armónicas se generan en fuentes de poder de tipo conmutada de computadoras, y en los variadores de frecuencia [3.9] entre otros lugares. Su efecto en los equipos electrónicos se mitiga incrementando calibres de conductores, cambiando el diseño y configuración del transformador de alimentación y, usando filtros activos. Los filtros pasivos compuestos de capacitores e inductores no son generalmente efectivos (excepto como protección de bancos de capacitores) porque la frecuencia de corte del filtro tiene que ser muy cercana a la fundamental, lo que es prácticamente imposible de diseñar en un filtro de este tipo [3.3].

Interferencia en radiofrecuencia.-  La interferencia por radiofrecuencia, RFI por sus siglas en inglés, es causada principalmente por transmisiones radiales. Sin embargo, este tipo de interferencia también es producida por los componentes electrónicos  trabajando a altas frecuencias. En los equipos

electrónicos su efecto se minimiza  con un buen blindaje en cables y en los mismos equipos. Aunque, la mejor manera de acabar con la RFI es blindar el ruido directamente en su fuente. Los blindajes mencionados para ser efectivos se deben conectar a la tierra del sistema. Ver: 3.2 CABLES, PANTALLAS Y CANALIZACIONES

Interferencia electromagnética.- Este tipo de interferencia, conocido por sus siglas en inglés EMI, es ruido eléctrico que se convierte en un voltaje en un sistema eléctrico. Sus fuentes son las mismas que generan la interferencia en radiofrecuencia. Este tipo de interferencia en los equipos electrónicos se corrige conectando todo a  una única puesta a tierra del sistema.   En resumen, los efectos en los equipos electrónicos de los transitorios y de gran parte de los tipos de interferencias se eliminan mediante la conexión adecuada de los componentes a una referencia de tierra.

3.2 CABLES, PANTALLAS Y CANALIZACIONES [3.4].

Los blindajes de cables usualmente son de metal sólido o una película plástica metalizada con un alambre guía. Para que sea efectiva la protección de los cables internos contra los tipos de interferencias mencionados arriba, el blindaje debe cubrir los conductores, ser continuo entre los extremos y debe estar bien aterrizado.

Todos los cables blindados provocan un problema contradictorio. Para mejorar su desempeño para bloquear la interferencia en altas frecuencias, ambos extremos del blindaje deberían estar bien aterrizados. Sin embargo, a menos que ambos extremos estén al mismo potencial, fluirá una pequeña corriente a través del blindaje entre esos puntos. De ahí que, en la práctica, las pantallas en sistemas electrónicos son conectadas únicamente en el extremo más cercano al equipo de control, y se dejan completas y aisladas en el otro extremo, normalmente el lado del sensor.

Similarmente una canalización metálica con cables que conduzcan señales lógicas o de control se puede aislar en un extremo para evitar el fenómeno de corrientes de tierra circulando por ella. Para ello, se emplea un cople de PVC y, obviamente, el otro extremo continúa puesto a tierra de acuerdo con los requisitos de la NOM-001-SEDE-2005[1.3]{250-}.

Para eliminar la mayoría de los problemas por ruido eléctrico inducido en los cables de señal y de control, se recomienda colocarlos a más de 1,5 m de los cables de alta tensión o de gran potencia. Y cuando es necesario cruzarlos, se recomienda que el cruce sea a 90 grados para eliminar cualquier inducción. 

En el caso de las canalizaciones plásticas segmentadas  - canaletas tipo Panduit - que son para llevar fuerza y señal a computadoras, es necesario conocer las condiciones bajo las cuales la canalización está aprobada, ya que no todas las que existen en el mercado evitan que el ruido eléctrico de los cables de fuerza cause una reducción en la velocidad de transmisión de datos.

 3.3 PROTECTORES DE CABLES DE INSTRUMENTACIÓN Y DE COMUNICACIONES.

Para controlar las descargas y los fenómenos transitorios, se añaden dispositivos de protección a los cables que conectan entre sí los equipos de computación, instrumentación y de comunicaciones.

Estos dispositivos desvían la corriente, bloquean la energía que viaja por los conductores, filtran ciertas frecuencias, regulan voltajes o, realizan una combinación de todas estas tareas.

Los protectores funcionan mejor, siempre y cuando se coloquen muy cercanamente al sistema a proteger, ya así que tanto los protectores como el equipo protegido permanecen al mismo potencial bajo condiciones de transitorios.

Como familias de protectores tenemos:

a) Válvulas de gas; b) Filtros; y c) Semiconductores.

1. VÁLVULAS DE GAS.

Estos dispositivos se construyen de tal manera que la trayectoria de la descarga sea de baja impedancia una vez que se sobrepase el nivel máximo de voltaje. Como ejemplo tenemos las válvulas de gas, como son las lámparas de neón.

Esta es la clase de protección más lenta pero la que puede manejar más energía al menor costo.

Los protectores telefónicos son de esta clase.

2. FILTROS

Los filtros comunes contienen elementos pasivos, capacitores e inductores, en configuración  pasa-baja. 

Muchos equipos de comunicaciones (faxes, modems, etc.) tienen este tipo de protección en la conexión de potencia, en forma de una ferrita. Y, con ella protegen el aparato de ruido eléctrico de alta frecuencia. 

3. SEMICONDUCTORES

Los dispositivos semiconductores son los arreglos más sofisticados. Son más rápidos y baratos pero generalmente manejan menos energía que otras alternativas de igual precio. Y debido a su rango limitado de operación y características, estos dispositivos deben especificarse más precisamente. Nota: Existen dispositivos electrónicos para proteger por corriente o por voltaje.

Las resistencias no lineales compuestas de óxidos de zinc en una matriz de óxido de bismuto, llamados varistores, funcionan por voltaje y se manufacturan para manejar un máximo de energía en joules o en watt-segundos. El dispositivo se selecciona para operar a un voltaje ligeramente mayor que el máximo esperado de la fuente de voltaje. Cada varistor de óxido metálico tiene  una capacitancia inherente, lo cual crea algunos problemas en señales de altas frecuencias (>135 MHz). Además, un varistor se degrada con el tiempo en operación.

La protección con varistores es la más empleada actualmente, tanto en las conexiones de fuerza como en las de los puertos de comunicaciones. Su desventaja es que cuando se dañan por una descarga, los equipos quedan desprotegidos porque fallan siempre abriendo el circuito de descarga.

Los diodos de tipo zener o, avalancha son dispositivos más rápidos que los varistores pero no pueden manejar tanta energía como los últimos. Y, ya que no pueden disipar energía, se les usa en ocasiones junto con válvulas con gas, donde el diodo dispara primero y la gran energía se disipa en la válvula de gas.

El circuito de un zener consiste de una resistencia o inductancia en serie y el zener conectado en derivación con la carga. Si el rango del zener no es excedido, este dispositivo no se degrada con el tiempo. Sin embargo, debido a su limitada capacidad de corriente, un zener sin otro medio de protección se daña irremediablemente.    

La efectividad de estos dispositivos depende de la longitud de la conexión a tierra (al chasís). La más corta es la mejor. Además, se debe tener precaución en no unir los cables de entrada junto a los de salida del protector, por existir la posibilidad de un acoplamiento inductivo entre ellos. 

Modos de protección.-

El modo de protección depende de la conexión al circuito a proteger. Unidades de protección de "modo diferencial" se conectan entre líneas y, los de "modo común", entre los hilos de señal y tierra. 

Como mínimo, un protector en "modo común" se debe colocar en cada extremo del conductor. 

Para cancelar el ruido inducido en "modo diferencial" en líneas de instrumentación como en redes de comunicaciones se usan pares trenzados. Así, el ruido se induce igualmente en ambos conductores cancelando el efecto. 

Como los transitorios también son una forma de ruido, también se inducen en los conductores. Cables multiconductores acoplan la energía del transitorio a todos los pares de conductores del cable. Y como la energía inducida es la misma, siendo un par o muchos, se disipa más energía en un arreglo multiconductor. 

Cuando existen más de 6 pares, se emplean protectores conectados en derivación y, cuando son menos, en serie, por ser mayor la energía presente por par. Los protectores en serie consisten de filtros como también de supresores en derivación.

Todos los pares que no se usen de un cable multiconductor deben ser conectados a tierra y así, la energía inducida en ellos, pasará directamente a tierra.   Ejemplo de aplicación de Protectores: PLC.-

Para proteger Controladores Lógicos Programables (PLCs por sus siglas en inglés), la protección estándar dada por varistores en derivación es suficiente. Siempre y cuando no existan cables con señales que provengan de lugares fuera del sistema de tierras al que está conectado el PLC. 

Cuando se tienen señales provenientes de fuera del sistema de puesta a tierra del PLC, se emplean protectores con aislamiento galvánico. Dichos protectores aíslan eléctricamente la señal que no tiene la misma referencia de tierra.

Debido a los requisitos de la puesta a tierra de los equipos eléctricos y debido a la presencia de tuberías metálicas en una planta industrial,  es imposible aislar galvánicamente todas las trayectorias de tierra, y ésto puede crear lazos de corriente en equipos electrónicos con resultados nefastos. Si éste es el caso, es probable que uniendo las redes de tierras por medio de una red perimetral, y empleando protectores sin separación galvánica, y dejando la pantalla sin conectar en un extremo, se resuelva el problema. La otra solución, es por el momento, la que sugieren los fabricantes de equipos de controles distribuidos y comunicaciones: emplear cables de fibra óptica del tipo sin pantalla metálica.  

3.4 PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS. [3.8]

Existen cuatro esquemas de aterrizado de equipos electrónicos. Estos son:

a) El convencional. b) El esquema de tierra aislada. c) Esquema de tierra aislada total. d) Esquema de malla de referencia.   1. ESQUEMA CONVENCIONAL. El esquema convencional utiliza únicamente las recomendaciones de puesta a tierra de la NOM [1.3]{250-} pero no incluye el uso de los contactos de tierra aislada de la sección {250-74 Excepción 4}.  

 Este esquema encuentra su uso en las instalaciones de PCs  donde únicamente existe alumbrado y algún otro equipo eléctrico, tal como en los pequeños comercios o en las viviendas. Pero, no es recomendado para las instalaciones comerciales, educativas o industriales, porque:

a) Puede resultar excesivamente ruidoso el sistema de tierras.

b) Los transitorios pueden sobrepasar el nivel de aislamiento. c) No es compatible con las recomendaciones de puesta a tierra de la mayoría de los fabricantes de equipos electrónicos. d) El alambrado puede resultar obsoleto cuando se cambien las tarjetas y equipos por otros de una tecnología de mayor velocidad.

2. ESQUEMA DE TIERRA AISLADA

Documento en inglés sobre Tierras Aisladas por Liebert Corporation. Traducción al español.. 

Este esquema es el más socorrido en la industria, y por la mayoría de los proveedores de equipos electrónicos, porque reduce el ruido de modo común, y está descrito en la NOM [1.3]{250-74 Excepción 4}. En él, la puesta a tierra del equipo es separada de la puesta a tierra de las canalizaciones, así cualquier corriente espúrea no afecta a los equipos así conectados. El ruido de modo común es toda señal no deseada que aparece en todos los conductores de señal al mismo tiempo con respecto a la tierra.

El tipo de receptáculo (contacto) para este esquema es diferente, y, tiene un triángulo de color naranja pintado en la placa para diferenciarlo de los receptáculos normales.

La frase "tierra aislada" ha sido interpretada equivocadamente como de una tierra separada,

provocando en caso de falla precisamente un voltaje a tierra inseguro para las personas y para los equipos.

En esta configuración se tiene una conexión a tierra relativamente libre de ruido e interferencia para la referencia lógica de los aparatos y, es complementada con la tierra de seguridad convencional del sistema de tierras de potencia. Pero, tiene las siguientes limitaciones:

a) En altas frecuencias, la impedancia del conductor de tierra puede ser demasiado alta para servir de buena conexión. b) El acoplamiento no intencional de los dos sistemas de tierras (aislado y de puesta a tierra de las canalizaciones) dentro de los aparatos o en sus conexiones a cables blindados, puede causar  lazos de corriente, resultando en ruidos electrónicos que inutilizan el sistema aislado. Un ejemplo de ese caso, es cuando la impresora está conectada al sistema de tierra normal, y la computadora al sistema de tierra aislado.

 

3. ESQUEMA DE TIERRA AISLADA TOTAL

Este esquema consiste en conectar todas las computadoras, los aparatos e instrumentos a tierra usando una configuración de estrella a partir de un solo punto físico, el cual es un cabezal o placa de conexión -Existen fabricantes de ellas-, el o la cual a su vez está conectada mediante un conductor apropiado a la red general de tierras, de acuerdo con la norma NOM-001-SEDE-2005 [1.3].

Esta configuración es utilizada en los transmisores de comunicaciones (radiodifusión, sitios celulares, etc.), donde es posible tener un mismo punto de puesta a tierra para todos los equipos y para todas las pantallas de los cables.

Sin embargo, también tiene sus limitaciones: 

a) Esta configuración puede ser difícil de crear en un ambiente industrial. b) Todos los equipos cercanos deben conectarse de esta manera a tierra o, se pueden tener lazos de corrientes. c) Puede tener una impedancia en alta frecuencia muy alta, que en términos prácticos, la puesta a tierra sea ineficaz. Este problema es posible que no se tenga en la mayoría de equipos industriales, porque no emplean muy altas frecuencias

4. ESQUEMA DE MALLA DE REFERENCIA.

La figura muestra esta configuración para una sala o centro de cómputo, con piso falso de tipo celular. Observar que adicionalmente a la estrella mencionada en el punto anterior, los equipos y partes metálicas estructurales se conectan a este tipo de piso mediante trencillas, y que al ofrecer un plano de referencia de tierra, baja la impedancia a tierra en todas las frecuencias.

En el mercado se conoce dicha malla como Signal Reference Grid (SRG) y la comercializa la compañía Erico entre otras.

Sus limitantes son:

a) Muchos fabricantes de equipos electrónicos industriales no están de acuerdo con su empleo.b) En ambientes industriales, es difícil su implementación. 

Consideraciones finales.-

No importa cual de los tres últimos métodos se emplee para la puesta a tierra de los equipos electrónicos, la trayectoria de los cables es crucial. Siempre conecte a tierra cada aparato por separado.

Los equipos en racks deben conectarse a tierra mediante cables, no obstante se supondría que los perfiles del rack los pondrían a tierra, lo que no siempre es real porque existen problemas de pintura y de montaje. Este cable es mejor que sea forrado y de color verde para que no cortocircuite otros cables.

El aterrizado de blindajes y el de cables de señal también deben ser parte integral del diseño de sistemas de tierras.    3.5 DIAGRAMAS DE CONEXIONES DE SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES. Nota: Tema elaborado con datos tomados de Electrical Construction & Maintenance [3.12] Desde tiempo de las Bell System Practices (BSP) en telecomunicaciones siempre se ha recomendado un sistema de puesta a tierra distinto aunque unido al sistema de puesta a tierra de fuerza.  Esas prácticas recomendadas evolucionaron a los Bellcore Generic Requirements (GR) y a los estándares americanos ANSI de serie T1.  Posteriormente, la Telecommunications Industry Association (TIA) presentó su documento TIA/EIA 607-1994, “Commercial Building Grounding and Bonding. Requirements for Telecommunications.” que se convirtió en 2002 en el estándar americano ANSI J-STD-607-A, “Commercial Building Grounding (Earthing) and Bonding Requirements for Telecommunications,” [3.13], de donde está sacada la siguiente imagen. 

 Fuente:  http://ecmweb.com:80/images/707ecmIPQfig1.jpg Nota: TMGB = Barra maestra de puesta a tierra de telecomunicaciones; TGB = Barra de puesta a tierra de telecomunicaciones. Se observa que este sistema de puesta a tierra es suplementario de acuerdo con la NOM-001-SEDE-2005, y que como ventaja tiene conexiones redundantes y más cortas que el sistema de puesta a tierra de fuerza, lo que ayuda a evitar

daños por diferencias de potencial por el conductor de puesta a tierra en caso de descargas atmosféricas y de cortocircuitos importantes en las líneas de alimentación eléctricas.  3.6 DIAGRAMAS DE CONEXIÓN ELÉCTRICA A SISTEMAS DE COMPUTADORAS En el Consejo de la Industria de Tecnologías de Información, antes CBEMA, se elaboró el documento que se utiliza muchísimo en los Estados Unidos como guía para poner a tierra los equipos de procesamiento de datos:  Guidelines for Grounding Information Technology Equipment (ITE).   Hasta hace años se usaba con ese fin un documento publicado el 21 de septiembre de 1983 por el Departamento de Comercio de los EUA denominado Guideline on Electrical Power for ADP Installations, también conocido como Federal Information Processing Standard (FIPS) 94, pero fue retirado por obsoleto con fecha 29 de julio de 1997. El estándar nacional americano (ANSI) de puesta a tierra de equipos electrónicos es actualmente el IEEE Std. 1100 - IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment [3.8], de donde tomamos algunas de las figuras  siguientes que muestran casos resueltos de conexión a tierra de sistemas de computadoras, utilizando las normas vigentes [1.3], [1.4]. 

3.6.1 CON TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO Y RECEPTÁCULOS DEL TIPO TIERRA AISLADA (IG).

 La mejor solución para la puesta a tierra de un centro de cómputo es utilizando transformadores de aislamiento dentro del mismo local. Con ello, los cables de puesta a tierra tendrán una longitud pequeña y el neutro en los receptáculos tendrá una diferencia de potencial muy pequeña a tierra. Ejemplo 3.6.1.1.- Sin tablero de distribución (centro de cargas).

Ejemplo 3.6.1.2.- Con tablero de distribución (centro de cargas). Observar la barra aislada de tierra en el tablero.

   3.6.2 ESQUEMA DEL   TIERRA AISLADA TOTAL UTILIZANDO UN TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO 

Ejemplo 3.6.2.1.-  3.6.3 CON TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO Y EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO El diagrama muestra el caso de equipos de procesamiento de datos (ADP en inglés) conectados en el mismo panel con unidades de aire acondicionado. El resultado es desastroso para el buen funcionamiento de los equipos de datos. 

La solución es utilizar un transformador de aislamiento con puesta a tierra local. Lo que la NOM menciona como sistema derivado. 

La conexión a tierra de dicho sistema derivado puede hacerse totalmente por separado del sistema de tierra de la acometida, de dos maneras, tal como se muestra en los dos dibujos siguientes. 

 3.6.4 CON CONEXIÓN A SISTEMA DE ENERGÍA ININTERRUMPIBLE (UPS).

 

  3.7 RECOMENDACIONES FINALES

Las máquinas electrónicas sofisticadas sean computadoras o máquinas de proceso, pueden ser protegidas con las siguientes medidas:

1. Uso de circuitos totalmente dedicados, a través de un transformador de aislamiento, o, de un circuito totalmente independiente desde la acometida.

2. Colocar en cascada supresores de picos, para eliminar ruidos eléctricos. 3. Separar físicamente las máquinas de las fuentes de ruido como son las

soldadoras por arco, las máquinas de electroerosión y los variadores de velocidad electrónicos sin reactores de línea.

4. PUESTA A TIERRA DURANTE EL MANTENIMIENTO DE EQUIPOS ELÉCTRICOS

13.1. TRABAJOS ELÉCTRICOS EN BAJA TENSIÓN

De acuerdo con la NOM-029-STPS [13.1] existen trabajos eléctricos en baja tensión que requieren que la puesta a tierra antes de que se de mantenimiento a los equipos.

En circuitos de control y de baja tensión, antes de conectar las "tierras", nos debemos cerciorar de que no existe voltaje en el lado de carga de los interruptores, para evitar las quemaduras de un arco expuesto a poca distancia.

13.2. TRABAJOS ELÉCTRICOS EN ALTA TENSIÓN

13.2.1 MANIOBRAS DESDE EL PISO.

Cuando se trabaja cerca de equipo energizado o con posibilidad de energizarse, como es el caso de cuchillas tripolares, camión grúa, transformador de pedestal, etc., como protección al trabajador contra los potenciales de paso y de contacto, se usa una manta equipotencial en el piso, que se conecta  al electrodo de puesta a tierra donde se aterrizó el equipo. En los Estados Unidos es obligatorio por la normatividad OSHA 1910.269 www.osha.gov, que dice:

“Equipotencialidad. Una puesta a tierra temporal se colocará de tal manera que prevenga a cada empleado de ser expuesto a diferencias peligrosas de potencial”

13.2.1 MANIOBRAS EN LÍNEAS AÉREAS.

En líneas de distribución, se deben poner "tierras" en uno o a ambos lados del lugar de trabajo dependiendo del tipo de sistema (3F3H, 3F4H) y de la impedancia de la línea [13.3]

La conexión del cable de puesta a tierra del lado del planeta tierra siempre debe ser la primera en conectarse después de desconectado el circuito, y, luego, separando el cable del cuerpo y usando el equipo personal de seguridad, hacer la conexión a los conductores de línea.

Cortesía Hubbell / Chance   www.hubbellpowersystems.com

Los cables del juego de tierras deben tener la capacidad suficiente para soportar la corriente total de falla a tierra. La tabla siguiente de la norma ASTM F855-5 muestra las corrientes posibles de conducción de un conductor de acuerdo con su tamaño.

 CORRIENTES QUE SOPORTAN LOS CONDUCTORES EN kA [13.2]A, B: Corto Circuito Simétrico 60 Hz.C. D. E, F: Corriente Máxima 60 Hz

Calibre

A

15 ciclos

 

B

30 ciclos

 

C

6 ciclos

 

D

15 ciclos

 

E

30 ciclos

 

F

60 ciclos

 2  14,5 10 29 18 13 91/0  21 15 47 30 21 14

3/0  36 25 74 47 33 234/0  43 30 94 60 42 29

250 kcm  54 39 120 70 49 35 350 kcm 74 54 150 98 69 49

 13.3 RECOMENDACIONES DE SEGURIDAD RELACIONADAS CON LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

Los equipos de naturaleza eléctrica, en alta o baja tensión, cuando por razones de mantenimiento son desconectados de su alimentación, deben conectarse a tierra antes de recibir servicio. 

Se debe conectar a tierra para evitar accidentes por: 

1. Tensiones inducidas por líneas adyacentes.

2. Fenómenos inducidos por corrientes de falla en conductores o estructuras metálicas cercanas.

3. Descargas atmosféricas.

4. Errores humanos al energizar circuitos equivocados.

5. Contactos accidentales con conductores energizados.

6. Mal funcionamiento de equipos de desconexión.

El caso (1) se presenta muy comúnmente en líneas subterráneas de distribución, el caso (6) en interruptores automáticos de circuitos de baja tensión y el caso (4), desgraciadamente de una manera muchas veces mortal, tanto en alta como en baja tensión.

Según datos del Instituto Mexicano del Seguro Social www.imss.gob.mx, hay considerablemente más casos de accidentes por contacto accidental en líneas de baja que en alta tensión. 

En alta tensión TODOS los circuitos de cualquier longitud deben ponerse a tierra para trabajar en ellos. Inclusive, los circuitos telefónicos también de longitud mediana, deben conectarse a tierra para darles servicio.

13.4 REFERENCIAS

[13.1] NOM-029-STPS-2005. Mantenimiento de las Instalaciones Eléctricas en los Centros de Trabajo – Condiciones de Seguridad. DOF 31-V-2005 México, D.F.

 [13.2] ASTM F 855. Standard Specifications  for Temporary Protective Grounds to be Used on De-energized  Electric Power Lines and Equipment.

 [13.3] F. P. Dawalibi, R. D. Southey, P. Hotte. Distribution Line Safety Grounding: Parametric Analysis. IEEE ESMO 1998.

5. PUESTA A TIERRA DE PROTECCIÓN ATMOSFÉRICA

5.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS [5.4] y [5.12].

La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes. 

Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en éstos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes, y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los más comunes, siendo el 90 % de los rayos detectados, son de una nube negativa hacia tierra.

Los rayos que inician en tierra son relativamente raros y ocurren normalmente en montañas o en estructuras altas, por lo que no los tomaremos en cuenta en lo subsiguiente. En la referencia http://sky-fire.tv/index.cgi/spritegallery.html pueden verse fotografías de ellos y de los fenómenos electroatmosféricos llamados "sprites" y "elves"

Los rayos iniciados en las nubes negativas, normalmente aparecen en nubes de tormenta del tipo cumulonimbus convectivas que usualmente miden de 3 a más de 50 km de largo, y son consecuencia de un rompimiento dieléctrico atmosférico. 

Este rompimiento una vez iniciado, avanza en zigzag a razón de unos 50 metros por microsegundo con descansos de 50 microsegundos. 

Una vez que el rompimiento creó una columna de plasma en el aire, la descarga eléctrica surgirá inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de radio del punto de potencial más alto. Y, cualquier objeto puede ser el foco de esta descarga hacia arriba de partículas positivas, aún desde una parte metálica debajo de una torre.

La figura muestra el rayo producido por una nube cargada negativamente contra tierra según el modelo de Hasbrouk [5.2].

Los rayos consisten usualmente de descargas múltiples, con intervalos entre descargas de decenas a centenas de milisegundos. La primera descarga es la que tiene mayor amplitud, mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque más rápidos, aunque la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geográfico. La primera descarga está entre 6 y 15 x 10E7 m/s y la segunda entre 11 y 13  x 10E7 m/s. 

Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas eléctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metálicas, y entre conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, aún sin la descarga, una nube cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente debajo de ella. 

El campo eléctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre 10 y 30 kV/m. Es importante, comparar estos valores con el de 1.5 kV/m con el que las puntas empiezan a emitir iones.

Una nube de tormenta promedio podría contener unos 140 MWh de energía con voltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intranube de unos 40 Coulombs. Esta energía es la que se disipa mediante los rayos, con corrientes pico que van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA con un percentil (50) de 20 kA, de acuerdo con los datos del Sr. R. B. Bent [5.7].  El Electric Power Research Institute (EPRI) en su Transmission Line Reference Book, 345 kV and above. 2da. Edición, Págs. 545-552, maneja una magnitud promedio de una descarga negativa de 31 kA, con una pendiente promedio máxima de 24.3 kV/us. Y para las descargas que siguen a la primera,  una magnitud menor aunque más rápidas, con un promedio de 39.9 kV/us, y hasta 70 kV/us ha sido registrado. Los rayos de una nube positiva hacia tierra contienen más carga que sus contrapartes negativos, por lo que son muy estudiados. En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos, y suceden más frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas. 

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caída de rayos en un lugar. Por ejemplo, la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante. Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente vulnerables. Además, las puntas agudas incrementan también la probabilidad de una descarga. 

  5.2 SISTEMAS DE PARARRAYOS [5.4].

La protección de estructuras es más tolerante que una protección electrónica. Así, un edificio puede tolerar hasta 100,000 V mientras que componentes electrónicos a 24 V se dañarán con voltajes sostenidos de 48 volts!

Los rayos ocurren con diferentes intensidades y un sistema que proteja contra su efecto deberá ser diseñado tomando en cuenta los rayos promedio o mayores del área en cuestión. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energía puede ser desviada en una forma controlada. El intentar proteger contra descargas directas puede ser excesivamente caro.

Un sistema de protección contra descargas, llamado de pararrayos, debe:

Capturar el rayo en el punto diseñado para tal propósito llamado terminal aérea. Conducir la energía de la descarga a tierra, mediante un sistema de cables

conductores que transfiere la energía de la descarga mediante trayectorias de baja impedancia, y;

Disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos) en tierra.

Cuando la energía de un rayo viaja a través de una trayectoria de gran impedancia, el daño causado puede ser grave por el calor y las fuerzas mecánicas que se crean [5.1].

Como la tierra no tiene una resistividad uniforme en todos los puntos, dentro de un mismo predio puede existir un potencial entre dos placas de metal enterradas. Por eso, en un sistema de electrodos múltiples conectados entre sí, a manera de malla, existe la probabilidad de que exista una diferencia de potencial entre algunos de sus puntos aterrizados.

El problema de diferencia de potenciales entre electrodos se complica aún más cuando una nube cargada pasa por encima de la malla. Además, una descarga eléctrica que caiga cerca, causará grandes corrientes en la tierra para restablecer el equilibrio de cargas. Al fluir esta corriente por tierra, causará una diferencia de potencial entre los diferentes electrodos y esta diferencia de potencial, a su vez, causará que fluya corriente por los conductores de la malla.

Es conocido que un campo magnético se crea cada vez que existe un rayo, no importando si es a tierra o entre nubes. Este campo induce una corriente en cualquier conductor en la vecindad del rayo. Si existen electrodos al final de ese conductor, fluirá por tierra la corriente cerrando el circuito. Por ejemplo, un oleoducto puede transmitir la corriente de una descarga a una gran distancia del punto donde la descarga tuvo lugar.

Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello son causa de interferencia en sistemas electrónicos. Son de alta frecuencia por la elevada razón de cambio de la señal, de aproximadamente 1 us. Por ello, para dirigir a

tierra las descargas atmosféricas se utilizan las técnicas para señales en altas frecuencias.

La inductancia de los conductores de cobre usados para tierras es de aproximadamente de 1.64 uH/m. A la frecuencia equivalente de los rayos, la impedancia debida a la inductancia es muchas veces mayor que la impedancia debida a la resistencia del conductor. Por lo que, para los rayos, los conductores más largos de 10 m tienen una impedancia en términos prácticos infinita, lo que impide que conduzcan la corriente [5.5]. Además, estas señales de alta frecuencia no seguirán nunca una vuelta muy cerrada del conductor, porque cada doblez incrementa la reactancia inductiva. De ahí, que todos los cables de conexión a tierra de pararrayos deben tener curvas generosas en lugar de esquinas cerradas. Por ello, se recomiendan curvas con radio de unos 20 cm, y conductores múltiples conectados en paralelo a tierra.

Como los rayos se reflejan como cualquier onda de alta frecuencia, es básico que la impedancia a tierra sea baja para la descarga, ya que todas las partes del sistema conectadas a tierra, elevarán y bajarán su potencial con respecto de tierra al tiempo de la descarga. Como ejemplo una malla de 30 x 30 m con 36 cuadrados, de cable de 0.5 cm de diámetro tiene una inductancia de 400* 10-7 H, lo que dará una impedancia de 25 ohms bajo una onda triangular con tiempo de pico de 1.2 us. [5.8].

5.3 ESTÁNDARES DE PROTECCIÓN [5.4].

Tanto en Europa (donde caen menos rayos que en nuestros países latinoamericanos), como en Norteamérica, se ha debatido mucho sobre los métodos de protección, tanto así que en misma Europa permanecen los dos estándares de protección, el llamado Franklin/Faraday, que es el tradicional, y el de puntas de inicio (early streamers en inglés). En EUA, el estándar aprobado por la asociación contra el fuego (NFPA) es el Franklin/Faraday y, se conoce como NFPA-780. El otro, no fue aceptado como parte del estándar, ya que se considera de efectividad igual que una punta del tipo Franklin.En México, tenemos desde el 2006 una Norma  Mexicana al respecto emitida por ANCE con el número NMX-J-549-ANCE. Al no tener carácter obligatorio esta norma, las compañías que promueven las marcas de puntas de inicio Sante-Elme <http://www.franklin-france.com/ESPAGNOL/indexesp.html> y Prevectron <http://www.indelec.com/>, entre otras marcas en el mercado, están instalando sus sistemas bajo normatividad francesa, o ninguna normatividad.   Importante: De acuerdo con el artículo 55 de la Ley Federal de Metrología y Normalización, las normas NMX sí son obligatorias para el gobierno federal y sus dependencias, por lo que la NMX-J-549-ANCE de pararrayos sí les aplica. ARTÍCULO 55.- En las controversias de carácter civil, mercantil o administrativo, cuando no se especifiquen las características de los bienes o servicios, las autoridades judiciales o administrativas competentes en sus resoluciones deberán tomar como referencia las normas oficiales mexicanas y en su defecto las normas mexicanas.

Sin perjuicio de lo dispuesto por la ley de la materia, los bienes o servicios que adquieran, arrienden o contraten las dependencias y entidades de la administración pública federal, deben cumplir con las normas oficiales mexicanas y, en su caso, con las normas mexicanas, y a falta de éstas, con las internacionales.

 En el mundo, existen muchos Códigos nacionales sobre Sistemas de Pararrayos, que no concuerdan entre sí. Una lista de algunos de ellos, puede encontrarse en: http://www.lightningsafety.com/nlsi_bus/nlsi_pub1.html  

 5.3.1 ZONA DE PROTECCIÓN (Método Norteamericano)

En Norteamérica, los equipos y estructuras son clasificadas según su necesidad de protección contra descargas atmosféricas. Referencia: ANSI/NFPA 78-1989.

PRIMERA CLASE.- Las estructuras de esta clase, requieren de poca o ninguna protección. El requisito es que verdaderamente estén conectados a tierra. Ejemplos de esta clase son: a) Todos las estructuras metálicas excepto tanques u otras estructuras que contengan materiales inflamables. b) Tanques de agua, silos y estructuras similares, construidas mayormente de metal. c) Astas bandera construidas de algún material conductor.

SEGUNDA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con cubierta conductora y estructura no conductora, tal como edificios con cubierta metálica. Este tipo requiere de conductores para conectar la cubierta a electrodos en la tierra.

TERCERA CLASE.- Esta clase consiste de edificios con estructura metálica y cubierta no conductora. Este tipo requiere de terminales aéreas conectadas a la estructura y fuera de la cubierta para actuar como terminales pararrayos.

CUARTA CLASE.- Esta clase consiste de estructuras no metálicas, que requieren una protección . Se incluyen en esta clase:

a) Edificios de madera, piedra, ladrillo u otros materiales no conductores, sin elementos de refuerzo metálicos. b) Chimeneas. Aún con elementos de refuerzo, éstas deben tener una gran protección contra rayos, con terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de aterrizado.

QUINTA CLASE.- Una quinta clase consiste de aquellas cosas cuya pérdida puede ser de consecuencias, y que normalmente recibe un tratamiento pararrayos completo, incluyendo terminales aéreas, cables de bajada y electrodos de aterrizado. Entre éstas están: a) Edificios de gran valor estético, histórico o intrínsico. b) Edificios conteniendo combustibles o materiales explosivos. c) Estructuras conteniendo sustancias que pueden ser peligrosas si se derraman como consecuencia de una descarga. d) Tanques o conjuntos de tanques. e) Plantas de energía y estaciones de bombeo. f) Líneas de transmisión. g) Subestaciones eléctricas.

La técnica usada para analizar la acción de las descargas en objetos a tierra es el modelo electromagnético desarrollado originalmente por Golde R.H. [5.13]. Y derivado de ese modelo, desde 1970 se emplea el método de la esfera giratoria

   

para calcular la zona o distancia de protección de los pararrayos [5.1]. El equipo dentro de la zona de protección debe ser conectado a la misma red de tierras para que no exista una diferencia de potencial entre puntos en el sistema. Sin embargo, aparatos conectados a líneas eléctricas que salen del área de mismo potencial pueden dañarse de no tener las protecciones mencionadas en el capítulo sobre equipos electrónicos.

  SISTEMA FRANKLIN

Benjamín Franklin fue el primero en darse cuenta que la altura era un factor importante en el diseño de protecciones contra rayos.

El rango de atracción de un pararrayos es la distancia sobre la cual un pararrayos sencillo vertical de una altura dada sobre un plano limpio, atrae una descarga atmosférica. El espacio protegido por tal dispositivo define el lugar en que la construcción no suele ser afectada por una descarga directa.

El sistema más sencillo y más antiguo de pararrayos, es el que consiste en terminales aéreas de cobre, bronce o aluminio anodizado terminadas en punta, llamadas puntas Franklin, colocadas sobre las estructuras a proteger de los rayos. Este sistema se aplica en iglesias, casas de campo, graneros y otras estructuras ordinarias.

Estas terminales deben estar por lo menos 25 cm - las más pequeñas miden 30 cm - sobre la estructura [5.1] y, cuando esta altura mínima se emplea, la distancia entre ellas debe ser como máximo de 6 m. 

Para asegurarnos de una buena conexión y de una baja impedancia, por lo menos cada terminal aérea debe tener dos trayectorias a tierra, y estas trayectorias deben estar cuando más a 30 m de separadas entre sí. 

De acuerdo con el estándar NFPA 780 [5.1], existen dos clases de materiales (terminales aéreas, cables, accesorios y terminales de tierra). Los materiales clase I se utilizan para la protección de estructuras que no exceden de 23 m de altura, y, los materiales clase II, las estructuras que si exceden dicha altura.

Entre las diferencias importantes de las dos clases de materiales se tiene:   Clase I Clase II

Terminales Aéreas, diá (mm)  9,5 Cobre, 12,7 Aluminio 12,7 Cobre, 15,9  Aluminio

Conductor principal, peso 278 g/m Cu, 141 g/m Al 558 g/m Cu, 283 g/m Al

calibre 29 mm2 Cu, 50 mm2 Al 58 mm2 Cu, 97 mm2 Al

tamaño mínimo de alambre 17 AWG Cu, 14 AWG Al 15 AWG Cu, 13 AWG Al

Los tamaños de los conductores más usuales son: 29 ó 32  hilos calibre 17 (65,6 kcm) de cobre para conductores de uniones, 28 hilos calibre 14 o más grueso de cobre  para conductores principales. Cuando se emplean conductores de aluminio, se debe tener precaución en no llegarlos hasta el suelo porque sufren corrosión.

Al respecto de la trayectoria, la NOM [1.3] dice que cualquier parte metálica no conductora de corriente a una distancia menor de 1,8 m del cable de los pararrayos debe tener puentes de unión a éste para igualar potenciales y prevenir arqueos {250-46}.

Los conductores terminan en tierra en sendos electrodos, y para revisar el estado de dichos electrodos, es una  práctica recomendada utilizar conectores de prueba a una altura de 1,0 a 1,5 m. 

De acuerdo con la norma NFPA-780 [5.1], el sistema de electrodos para la protección contra descargas atmosféricas depende también de las condiciones del suelo. De ahí que, para estructuras ordinarias menores a 23 m de altura, en:

Arcilla Profunda y Húmeda.- Una simple varilla de 3 m es suficiente. Suelo arenoso.- Se requieren dos o más varillas espaciadas más de 3 m. Suelo con tierra poco profunda.- Se emplean trincheras radiales al edificio de 5

m de largo y 60 cm de ancho en arcilla. Si la roca está más superficial, el conductor podría colocarse sobre la roca.

Rocas.- En un suelo muy poco profundo, un cable en anillo se instala en una trinchera alrededor de la estructura. Para mejorar aún el contacto, es posible colocar placas de al menos 2 pies2.

SISTEMA TIPO JAULA DE FARADAY.

Para estructuras grandes, se utiliza una modificación al sistema Franklin de pararrayos, al  añadir a las terminales aéreas conductores que crucen sobre la estructura a proteger como una caja de Faraday limitada sobre y a los lados de la construcción, y todo ese conjunto resultante es conectado a cables múltiples de bajada, que a su vez se conectan al sistema de tierras perimetral del edificio.

Los edificios modernos con estructura de acero y con varillas embebidas en concreto se acercan al concepto de la jaula de Faraday, y el riesgo de que un rayo que penetre en un edificio protegido de esta manera es extremadamente pequeño [5.6]. Aunque se debe notar que los rieles de los elevadores no deben ser usados como el conductor de bajada de los pararrayos, la NOM-001-SEDE-1999 permite que se unan al sistema de pararrayos [1.3] {620-37b}.

Para hacer más efectiva la protección de este sistema, se usan puntas del tipo Franklin o del tipo "paraguas" (patentadas).

 

5.3.2 ZONA DE PROTECCIÓN (Método de puntas de inicio)  

En Francia, coexisten dos estándares para protección contra descargas atmosféricas, la NFC 17-100 (1997), IEC 1024-1 (1990) que está basada en la caja de Faraday mencionada en el punto 5.3.2, y, la NFC 17-102 (Julio 1995) sobre puntas iniciadoras.

El estándar NFC 17-102 es aplicable para protección contra rayos, usando puntas iniciadoras en estructuras de menos de 60 m de alto y de áreas abiertas. E incluye la protección contra las consecuencias eléctricas debida al flujo de corriente del rayo a través del sistema de protección.

Las puntas iniciadoras, se dice, son las que inician la descarga hacia arriba unos cuantos microsegundos (Delta T) antes de la descarga principal. El efecto se traduce en una zona de protección de forma parabólica alrededor de la punta, de radio (Rp) en un plano horizontal.

De acuerdo con la peligrosidad de una descarga sobre la estructura a proteger, el estándar preveé tres tipos de protección. 

D = 20 m para un nivel de protección I. D = 40 m para un nivel de protección II D = 60 m para un nivel de protección III

Donde D es el radio de la esfera rodante del modelo electrogeométrico, y  h es la altura de la punta de emisión temprana relativa al plano horizontal que pasa por el elemento a proteger.

La tabla siguiente con los radios de protección, contempla 3 tipos de puntas iniciadoras (25, 40 y 60 us) y, los valores de altura (h), en metros, sobre la estructura a proteger, donde de 2 a 4 metros son fijos, los demás se calculan mediante la fórmula

metros.

Considerando que h no puede ser mayor que la D obtenida del tipo de protección.

PUNTOS   IMPORTANTES DEL ESTÁNDAR NFC 17-102

La punta debe estar por lo menos 2 m más alta que el área que protege, incluyendo antenas, torres de enfriamiento, techos, tanques, etc.

Si la instalación comprende algunas puntas, éstas deben estar interconectadas por un conductor de área de por lo menos de 50 mm2, a menos de que el cable esté ruteado sobre un obstáculo estructural o arquitectónico con una diferencia de más de 1.5 m

Cada punta debe estar conectada por lo menos con un conductor bajante. Dos o más bajantes se requieren si:

La proyección horizontal del conductor es más grande que su proyección vertical

El sistema está instalado en una estructura más alta que 28 m Es importante notar que los bajantes deben estar instalados en dos diferentes

paredes.

5.4 PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS Y EDIFICIOS

5.4.1 PROTECCIÓN DE TORRES DE COMUNICACIÓN [5.4]

Se ha visto que las torres metálicas de comunicaciones incrementan sustancialmente la densidad de descargas en el lugar donde son instaladas. La probabilidad se incrementa aproximadamente con el cuadrado de la altura de la torre [5.11].

Variaciones considerables existen en la forma de como proteger una torre. Una manera es colocar una punta pararrayos en la cima de la torre y de ahí un conductor de cobre por toda la longitud de la torre. Sin embargo, por estar el cobre y el acero en contacto, se corroe el acero - 0.38 Volts de la celda galvánica - y, la inductancia del cable tan largo crrea una trayectoria de tan alta impedancia que no es efectivo como circuito a tierra. Por lo que se recomienda usar la estructura con una punta electrodo en su parte superior con conectores adecuados para su conexión al acero estructural.

Y, como conexión a tierra, electrodos de tierra horizontales llamados contraantenas o, el anillo de tierra utilizado por la puesta a tierra de los equipos electrónicos. 

Note que cuando se usan arreglos de puntas sobre antenas de radio, el plano de tierra cambia, por lo que el patrón de emisión radial cambia también y el arreglo puede evitar la recepción en ciertas zonas.

Para disipar rápidamente la energía de los rayos que pegan en las torres, y con ello, elevar menos el potencial de tierra del sistema y para bajar el riesgo a las personas cuando esas torres están en zonas densamente pobladas, se acostumbra colocar radialmente conductores enterrados horizontalmente bajo las mismas técnicas de aterrizado equipotencial empleado en las subestaciones de potencia, los que reciben el nombre de contraantenas. Estas contraantenas pueden ser menores de 30 m si el suelo es adecuado y los electrodos son efectivos.

Si un rayo toca una torre, la torre conducirá la mayoría de la corriente a tierra. La corriente remanente será conducida por las retenidas, alambrado de las luces de alerta y por el blindaje del cable coaxial. 

La NOM [1.3]{800-13} dice "cuando sea factible, se debe mantener una separación de por lo menos 180 cm entre los conductores visibles de sistemas de comunicación y los conductores de pararrayos". 

Incrementando la distancia entre la torre y el edificio del transmisor y usando blindajes tipo Faraday se puede reducir el impacto de la descarga en el equipo.

La entrada del cable de comunicaciones al edificio debe ser a través de un cabezal de tierras. 

La conexión a este cabezal debe ser por lo menos de área igual a la sección transversal de los cables coaxiales. Una trenza de 3 a 6 pulgadas de ancho es usualmente empleada en este uso.

Las conexiones a tierra del cable coaxial se colocan en los cables de la antena a una altura de 50m

y a cada 30 m hacia arriba después de esa altura. Otra conexión va en la base de la torre y la otra en el cabezal de tierras. La altura de 50 m es crítica debida al hemisferio de descarga del rayo ya mencionado. Además, es preferible colocar el cable de señal por dentro de la estructura metálica de la torre para reducir la corriente en su blindaje.

Las luces de alerta solamente requieren de supresores de picos en las líneas de conexión eléctrica, los que también se deben aterrizar en el cabezal.

 5.4.2 PROTECCIÓN DE TANQUES [5.4].

Ciertos tanques están autoprotegidos contra rayos, como se menciona en [5.4]. Por ejemplo, un tanque que es eléctricamente continuo y de por lo menos 3/16" de grueso no puede ser dañado por las descargas directas. Pero, el tanque debe estar sellado contra el escape de vapores que puedan incendiarse [5.1].

Los tanques se conectan a tierra para alejar la energía de una descarga directa así como para evitar las cargas electrostáticas. Tanques mayores de  6 metros de diámetro en concreto, asfalto o en tierra están sin duda conectados a tierra [5.9]. Tanques menores a esa medida, necesitan un medio adicional para conectarlos a tierra. Esto puede lograrse de tres maneras. La más simple es conectarlos a sistemas de tuberías que no tengan uniones aisladas. El segundo método consiste en conectar un mínimo de 2 electrodos espaciados no más de 30m entre ellos radialmente al tanque. Y, por último, el método más novedoso es el de emplear el acero de refuerzo del muro de contención de derrames. Ver en el capítulo de Materiales, los electrodos empotrados en concreto.

5.4.3 PROTECCIÓN DE ÁRBOLES.

Los árboles que crecen aislados o que tienen una altura tal que  sobrepasan cualquier estructura, son un blanco de las descargas atmosféricas. Por ello, para esos casos se recomienda protegerlos como si fuesen una estructura.

5.4.4 PROTECCIÓN DE LÍNEAS AÉREAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA

La probabilidad de que un rayo caiga en una torre de transmisión, ha sido ampliamente estudiada y, se han obtenido las siguientes ecuaciones empíricas de los resultados encontrados.

Las líneas aéreas reciben descargas por 100 km de línea, según la relación empírica encontrada por Eriksson [5.15]

donde H es la altura de la línea b el ancho de la línea Ng es la densidad de rayos

De lo anterior se desprende que una línea alta recibe mayor número de descargas que una baja.

También, se ha encontrado que las corrientes de descargas son mayores (>80 kA) en los lugares de índice isoqueráunico alto [5.10].

Los distintos componentes de una línea están definidos por sus características de voltaje-tiempo o nivel básico de impulso (BIL: iniciales en inglés). Si la descarga probable tiene un voltaje que excede éstas, un flameo (flashover) aparecerá.

El método de diseño tradicional de líneas de transmisión consideraba un flameo  (flashover) por año, para lo cual se tomaba en cuenta el nivel isoqueráunico de la zona multiplicado por alguna constante (0,25 a 0,5) y, por otro lado, se tomaban en cuenta los parámetros probables de una descarga de fuentes como Golde [5.13].

La protección contra descargas atmosféricas de líneas aéreas de energía eléctrica se logra colocando un hilo puesto a tierra sobre ellas, llamado hilo de guarda y, mediante apartarrayos. El ángulo de protección obtenido al colocar un hilo de guarda es de 30 grados siempre y cuando el hilo se conecte a una tierra de baja resistencia (25 ohms o menos). Hay que notar que esta protección no protege a los equipos.

Los árboles altos y cerca de las líneas protegen las líneas de transmisión contra descargas atmosféricas. En el oeste de los EU y Canadá con derechos de vía en lugares boscosos, las líneas a veces no llevan hilo de guarda y con los árboles son protegidas.

Por último, hay que considerar que cuando existen gasoductos u oleoductos subterráneos en paralelo con líneas de transmisión, el uso de hilos de guarda reducen en gran medida los voltajes inducidos en los tubos.

Para líneas de distribución, el uso únicamente del hilo de guarda es económicamente aceptable en donde el terreno por donde pasa la línea tiene una baja resistividad. En cambio, se utilizan los apartarrayos sin hilo de guarda en terrenos donde se tiene resistencia a tierra de electrodos de más de 25 ohms.

5.4.4.1 Caso de estudio 1.-   Laboratorio de Oak Ridge Tennessee [5.18]

La red eléctrica del laboratorio en media tensión está alimentada en 13,8 kV y se tienen líneas en toda una gama de estructuras,  desde 13,8 kV hasta en estructuras para voltajes de subtransmisión (69 kV). Como los edificios están ubicados en una zona rural en promontorios, las líneas reciben descargas atmosféricas frecuentemente.

En una tabulación de disparos contra descargas de cada línea en los últimos 40 años, se encontró que las líneas con menos salidas por maniobras de "recierre" de los "restauradores" son aquellas que tienen el tipo de construcción de voltaje más alto que el que les corresponde. Lo que ahora se llama "Construcción Resistente a Rayos" (ver fotografías siguientes) que consiste primordialmente en niveles más altos de aislamiento y ángulos más pequeños de protección.

5.4.4.2 Caso de estudio 2.-   Complejo Silao de General Motors de México.

En paralelo con el patio del ferrocarril corre una línea de 1 km de longitud en postes de concreto de 13,8 kV, la cual alimenta subestaciones en su mayoría sobre postes en el perímetro del complejo. La configuración de los conductores es en línea recta sobre aisladores clase 15 kV colocados sobre la cruceta normal de la misma clase (configuración T). Las estructuras de la línea es lo más elevado en decenas de metros.

Al estar la línea protegida únicamente por cortacircuitos fusibles las descargas atmosféricas cercanas abrían frecuentemente el circuito durante la temporada de lluvias. Como solución, se propone protegerla mediante un hilo de guarda aterrizado únicamente en los remates colocado sobre puntas metálicas en las extremidades de los postes, sin mover ni hacia arriba, ni hacia abajo las estructuras originales.

 5.4.5 PROTECCIÓN DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS

Las subestaciones de potencia son protegidas por puntas pararrayos colocadas sobre las estructuras, y por los hilos de guarda de las líneas que rematan en la subestación. Los hilos de guarda están conectados directamente a la malla de tierra de la subestación.

En el caso de las estructuras metálicas tipo rejilla (lattice), la mismas estructuras forman una jaula de Faraday de protección.

Para el cálculo de las zonas de protección se emplea el método de la Esfera Rodante tratado en el punto 5.3.1.

Las subestaciones de distribución no son protegidas contra una descarga atmosférica directa, porque se ha comprobado que los rayos caen mayormente sobre las líneas.

 5.4.6 PROTECCIÓN DE EQUIPOS ELÉCTRICOS EN MEDIA Y ALTA TENSIÓN.

5.4.6.1 Apartarrayos [5.17]

Las descargas estáticas producen en los conductores una onda de sobrevoltaje viajera en los dos sentidos, en su viaje a tierra. Cuando esta onda llega a una discontinuidad en el circuito, que puede ser un ramal sin uso, la onda de voltaje se refleja y en ciertos lugares puede llegar a ser de hasta del doble de la amplitud original. Por lo anterior, los apartarrayos, que son aparatos eléctricos que dirigen a tierra los sobrevoltajes, deben colocarse uno por fase y  lo más cerca posible del equipo a proteger, como transformadores, interruptores, reguladores de voltaje, etc.  para ser mayor su efectividad.

  Los apartarrayos están definidos por sus características de "flameo" y por su voltaje cuando entran en operación. Estas características se coordinan con las de los otros aislamientos para definir la clase de nivel básico de impulso (BIL).  La NOM-001-SEDE-2005 [1.3] {280-24} observa que el conductor de puesta a tierra directa del apartarrayos de un sistema de distribución, podrá interconectarse al neutro del secundario siempre y cuando éste último tenga una conexión a una tubería metálica subterránea de agua, o, siempre y cuando sea un sistema secundario multiaterrizado. Y, que los conductores no se lleven en cubiertas metálicas a menos de que se conecten a éstas en sus dos extremos {280-25}.    5.4.6.2 Cuernos de Arqueo ( Spark Gaps )  La teoría detrás de este método es que si el circuito de distribución va a arquear de un modo o de otro, un circuito con un alto nivel básico de impulso (BIL) con un lugar predefinido de bajo nivel causará que el arqueo suceda en ese punto. Esto requiere de un interruptor para abrir la falla en 60 Hz. Con la llegada de los restauradores automáticos de alta velocidad este método de protección ha llegado a ser bastante utilizado principalmente en países europeos.Las desventajas son el ajuste mismo de la distancia de arqueo, y las fallas por presencia de aves principalmente.

5.4.6.3 Restauradores ( Reclosers ) En la fotografía un restaurador en SF6 tipo estación marca Siemens.

5.4.7 PROTECCIÓN DE EQUIPOS ELÉCTRICOS EN BAJA TENSIÓN.

5.4.7.1 Supresores de sobrevoltajes o de picos (TVSS)

Los supresores se seleccionan de acuerdo a su clase de protección. Así, en un servicio con una capacidad de corto circuito muy alta, el supresor debe tener una capacidad para conducir grandes corrientes a tierra.

En cambio, los supresores que se utilizan junto a las cargas sensibles a los sobrevoltajes, son de pequeña capacidad.

Y, dichos supresores deben ofrecer una protección coordinada para ser efectiva.

Para detalles sobre la protección de cables en comunicaciones ver: 3.3 PROTECTORES DE CABLES DE INSTRUMENTACIÓN Y DE COMUNICACIONES.

 5.5 PRUEBAS DE SUSCEPTIBILIDAD A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

Existen máquinas como los aviones que no pueden fallar a consecuencia de una descarga atmosférica. Por esa razón, se debe probar su susceptibilidad a falla en laboratorios especiales bajo normativa especial. Ejemplo de un laboratorio: www.retlif.com

Actualmente la industria aeroespacial no tiene un estándar único para pruebas, por lo que algunos de los estándares comúnmente aplicados son:

Boeing D6-16050-5 EUROCEA/ED-14E FAA AC:20-136 MIL-STD-1757

RTCA/DO-160 SAE ARP5412/5413 SAE AE4L

5.6 REDES DE MONITOREO ATMOSFÉRICO

Para cualquier análisis de ingeniería se requiere del número de descargas por unidad de tiempo y unidad de área, o la densidad de descargas (GFD por las siglas en inglés de Ground Flash Density) regional expresada normalmente como un promedio anual. Este parámetro se puede obtener localmente utilizando contadores de descargas o cualquiera de las versiones de los sistemas de localización de rayos comerciales. 

Los contadores de descargas están limitados a unos kilómetros, mientras que los sistemas de localización pueden obtener datos de áreas mucho más grandes. Los sistemas utilizan un número finito de antenas remotas para detectar los campos eléctrico y magnético al tiempo de la descarga, y, de estos datos se puede determinar el lugar de la descarga.  Durante muchos años, los servicios meteorológicos del mundo han anotado los días tormenta o niveles queráunicos. Un día tormenta es un día en que un trueno es escuchado. Los datos queráunicos son compilados en cartas geográficas con líneas de igual nivel queráunicos o líneas isoqueráunicas.

Con los años, se han propuesto relaciones matemáticas entre los días tormenta al año (Td) registrados y la densidad de descargas a tierra (Ng) (descargas a tierra/unidad de área/unidad de tiempo). 

[5.15]

Durante los sesenta se desarrolló el contador vertical aéreo de descargas atmosféricas. El CIGRE 500 Hz, el cual fue rápidamente adaptado como el estándar mundial. Otros trabajos en Sudáfrica desarrollaron el contador de descargas RSA 10, el cual rápidamente fue aceptado y renombrado CIGRE 10 kHz. En los setenta, varios sistemas para contar descargas fueron inventados utilizando mediciones eléctricas y magnéticas. La importancia de la densidad para el diseño de protecciones contra rayos fue reconocida por la Electric Power Research Institute (EPRI) en 1982, en su Lightning Research Plan. EPRI contrató con la Universidad de Nueva York la obtención de datos de la densidad en los estados americanos contiguos a través de una red de localización de rayos (SUNY US).

En México, la CFE y el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) han mantenido los datos de índices isoqueráunicos. Pero, en Japón se ha descubierto que los valores isoqueráunicos obtenidos hace años, han perdido algo su validez con los cambios climáticos [5.10].

En los Estados Unidos, desde 1980, EPRI  y el Bureau of Land Management auspiciaron estudios sobre descargas atmosféricas que dieron como resultado la National Lightning Detection Network (NLDN).  Su propósito fue recolectar datos de rayos nubes-tierra por un periodo de 11 años o más, para coincidir con el ciclo de manchas solares, con la intención original de localizar incendios potenciales forestales, iniciados por rayos en zonas remotas del país.

La NLDN es un sistema probado de detección de rayos, grabando el instante de tiempo, localización, polaridad y amplitud de cada uno de ellos. Los datos históricos proveen de una referencia histórica que puede ser utilizada para confirmar la caída de un rayo y, obtener los mapas de densidad de rayos utilizados para proyectar el riesgo de los rayos. Esta información está siendo utilizada por compañías eléctricas y de telecomunicaciones para planear instalaciones de protección y, en tiempo real, para preparar cuadrillas de mantenimiento de emergencia cuando alguna tormenta importante se avecina. La cobertura actual (2005) es la de los 48 estados contiguos de los Estados Unidos y, parte de las provincias canadienses y estados mexicanos limítrofes.

En 1992 la red NLDN fue desincorporada del gobierno de los Estados Unidos y, pasó a ser operada por una división del Grupo Vaisala  https://thunderstorm.vaisala.com/

Este nuevo sistema ha introducido la densidad de rayos a tierra (GFD por sus siglas en inglés) con no. de rayos a tierra/km2/año como unidad de medida.

Mapa de isodensidad de rayos en la República Mexicana elaborado en 1991 por CFE.

6. PROTECCIONES ELECTROSTÁTICAS

6.1 ELECTROSTATICA

Las  cargas  electrostáticas se crean en líquidos o polvos que tienen una rigidez dieléctrica elevada, y pueden llegar a ser de varios kilovolts de magnitud.

6.2 MEDIDAS GENERALES CONTRA LA ELECTROSTATICA.

En el caso de manejo de productos en polvo a granel, se especifica conectar todas las partes metálicas entre sí, para lo cual  se utilizan  cables multihilos de temple suave o trenzas metálicas desnudas. Estos conductores permiten el movimiento de electrones entre las diferentes partes, y no interfieren con las lecturas de instrumentos como celdas de carga. El calibre es importante desde el punto de vista de rigidez mecánica, no de capacidad de corriente.

El  sistema de uniones metálicas entre los distintos componentes puede hacerse en conjunto con el diseño del sistema de tierras de potencia,  para evitar cables en paralelo, y tener siempre los calibres adecuados.

Cuando  esta  puesta  a tierra no es suficiente  para  evitar  la acumulación de cargas electrostáticas, en la industria se emplean los siguientes mecanismos que igualan o disminuyen la creación de potenciales de naturaleza electrostática. 

Cepillos de alambre muy delgado de bronce.  Ionizadores  de aire. 

Tienen forma de cañón de aire, barra, barrera  de aire, etc. Trabajan con una fuente de C.D. de 5000  a 8000 Volts.  

 

Ejemplo: en materiales laminados plásticos.  

Barbas metálicas en contacto con el material. 

 

 

Ejemplo: cartoncillo impreso.  

Humidificadores. 

Ejemplo: en el manejo de fibras textiles sintéticas, y de harinas de maíz.

6.3 PROTECCION DE TANQUES

Para evitar las descargas electrostáticas que pudieran poner en peligro las instalaciones en el caso del almacenaje en tanques de productos inflamables, las normas especifican la instalación de por lo menos un cable flexible con conexión al mismo sistema de tierras del tanque, con conector de tipo pinza para igualar potenciales de todos los vehículos que carguen o descarguen producto al o del tanque.

Los tanques y tuberías de fibra de vidrio o de material plástico presentan problemas serios porque estos materiales no son conductores. Sin embargo estos materiales son muy susceptibles de presentar problemas debido a la electroestática y, por ello, sus válvulas y accesorios metálicos en caso de conducir un fluido no conductor de electricidad, deben ser puestos a tierra para drenar cualquier carga. En caso de ser necesario, un electrodo suspendido dentro del tanque y conectado a la red de tierras perimetral drenará cualquier carga interna.

Es importante observar que ciertos fluidos que se descargan libremente dentro de tanques crean cargas electrostáticas grandes, por lo que lo adecuado es colocar la descarga debajo del nivel del líquido.

En el caso de tanques con recubrimiento no conductor, y donde se tiene instrumentación (pH, ORP, etc.), se recomienda tener electrodos de instrumentación con puesta a tierra (Ground Loop Interrupt), para evitar que las cargas fluyan a través de electrodos y circuitos electrónicos causando lecturas falsas y reduciendo la vida útil de los electrodos.

7. MEDICIONES DE RESISTIVIDAD PARA DISEÑO

7.1 LA TIERRA Y LA RESISTIVIDAD [5.4].

El factor más importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en sí, sino la resistividad del suelo mismo, por ello es requisito conocerla para calcular y diseñar la puesta a tierra de sistemas. 

La resistividad del suelo es la propiedad que tiene éste, para conducir electricidad, es  conocida además como la resistencia específica del terreno. En su medición, se promedian los efectos de las diferentes capas que componen el terreno bajo estudio, ya que éstos no suelen ser uniformes en cuanto a su composición, obteniéndose lo que se  denomina "Resistividad Aparente" que para el interés de este trabajo, será conocida simplemente como "Resistividad del Terreno". En la NOM-022-STPS-1999 se define el término resistividad, como la resistencia que ofrece al paso de la corriente un cubo de terreno de un metro por lado.De acuerdo con la NOM-008-SCFI-1993, Su representación dimensional debe estar expresada en Ohm-m, cuya acepción es utilizada internacionalmente. La resistividad del terreno varía ampliamente a lo largo y ancho del globo terrestre, estando determinada por:

Sales solubles  Composición propia del terreno  Estratigrafía  Granulometría  Estado higrométrico  Temperatura  Compactación

7.1.1. SALES SOLUBLES

La resistividad del suelo es determinada principalmente por su cantidad de electrolitos; ésto es, por la cantidad de humedad, minerales y sales disueltas. Como ejemplo, para valores de 1% (por peso) de sal (NaCl) o mayores, la resistividad es prácticamente la misma, pero, para valores menores de esa cantidad, la resistividad es muy alta.

7.1.2. COMPOSICIÓN DEL TERRENO

La composición del terreno depende de la naturaleza del  mismo. Por ejemplo, el suelo de arcilla normal tiene una resistividad de 40-500 ohm-m por lo que una varilla electrodo enterrada 3 m tendrá una resistencia a tierra de 15 a 200 ohms respectivamente. En cambio, la resistividad de un terreno rocoso es de 5000 ohm-m o más alta, y tratar de conseguir una resistencia a tierra de unos 100 ohm o menos con una sola varilla electrodo es virtualmente imposible.

7.1.3. ESTRATIGRAFÍA

El terreno obviamente no es uniforme en sus capas. En los 3 m de longitud de una varilla electrodo típica, al menos se encuentran dos capas diferentes de suelos. En XX se encuentran ejemplos de diferentes perfiles de resistividad.

7.1.4. GRANULOMETRÍA

Influye bastante sobre la porosidad y el poder retenedor de humedad y sobre la calidad del contacto con los electrodos aumentando la resistividad con el mayor tamaño de los granos de la tierra. Por esta razón la resistividad de la grava es superior a la de la arena y de que ésta sea mayor que la de la arcilla.

7.1.5. ESTADO HIGROMÉTRICO

El contenido de agua y la humedad influyen en forma apreciable. Su valor varía con el clima, época del año, profundidad y el nivel freático. Como ejemplo, la resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15% del peso de éste. Pero, un mayor contenido de humedad del 15% mencionado, causa que la resistividad sea prácticamente constante. Y, puede tenerse el caso de que en tiempo de secas, un terreno puede tener tal resistividad que no pueda ser empleado en el sistema de tierras. Por ello, el sistema debe ser diseñado tomando en cuenta la resistividad en el peor de los casos.

7.1.6. TEMPERATURA

A medida que desciende la temperatura aumenta la resistividad del terreno y ese aumento se nota aún más al llegar a 0° C, hasta el punto que,  a medida que es mayor la cantidad de agua en estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de los electrolitos los cuales influyen en la resistividad de la tierra 

7.1.7. COMPACTACIÓN

La resistividad del terreno disminuye al aumentar la compactación del mismo. Por ello, se procurará siempre colocar los electrodos en los terrenos más compactos posibles.

7.2 MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO.

La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso de la roca en estudios geofísicos, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una subestación, sistema electrónico, planta generadora o transmisora de radiofrecuencia. Asimismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas. 

En general, los lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión.

En este punto es necesario aclarar que la medición de la resistividad del terreno, no es requisito para hacer una malla de puesta a tierra. Aunque para diseñar un sistema de tierras de gran tamaño, es aconsejable encontrar el área de más baja resistividad para lograr la instalación  más económica.

El perfil de la resistividad del suelo determinará el valor de la resistencia a tierra y la profundidad de nuestro sistema de puesta a tierra.

Para medir la resistividad del suelo se requiere de un terrómetro (llamado en otros países: telurómetro) o Megger de tierras de cuatro terminales.

Los aparatos de mayor uso, de acuerdo a su principio de operación, pueden ser de 2 tipos: del tipo de compensación de equilibrio en cero y el de lectura directa.

Los terrómetros deben inyectar una corriente de frecuencia que no sea de 60 Hz para evitar se midan voltajes y corrientes que no se deban al aparato sino a ruidos eléctricos. Por ejemplo, si estamos cerca de una subestación o de una línea en servicio, y vamos a

realizar mediciones de resistividad y resistencia de tierra, con un aparato de 60 Hz, dichos sistemas van a inducir corrientes por el suelo debido a los campos electromagnéticos de 60 Hz y darán una lectura errónea. 

De igual manera sucede cuando los electrodos de prueba están mal conectados o tienen falsos contactos, darán señales falsas de corriente y voltaje. Si hay corrientes distintas a las que envió el aparato, éste leerá otras señales de voltaje y corriente que no son las adecuadas.

También estos aparatos  de repente tienen oscilaciones en sus lecturas y no es posible leerlas.

Un aparato inteligente, lleva conductores blindados, coaxiales, tiene sistemas de filtraje, de análisis y mide lo que halla, pero esa información la analiza, la filtra y luego la deduce. Por ejemplo, para hacer una medición manda una señal de 100 Hz y mide; luego manda otra señal de 150 Hz y vuelve a medir y puede seguir enviando otras altas frecuencias hasta que los valores van siendo similares, forma una estadística y obtiene un promedio.

Los terrómetros son analógicos o digitales y deben contener 4 carretes de cable calibre 14 AWG normalmente. Para enrrollamiento rápido se recomienda construir un sistema devanador que permita reducir el tiempo de la medición. También traen 4 electrodos de material con la dureza suficiente para ser hincados en la tierra con marro. Son de una longitud aproximada de 60 cm y  un diámetro de 16 mm. Además de lo anterior se hace necesario contar con una cinta no metálica de 50 m aproximadamente.

Los terrómetros tienen cuatro terminales 2 de corriente (C1, C2) y 2 de potencial (P1, P2) y están numerados en el aparato C1 P1 P2 C2. Los terrómetros deben estar certificados y probados en el campo con una resistencia antes de realizar las mediciones.

Como la medición obtenida por un terrómetro es puntual, se deben hacer mediciones en un sentido, en otro a 90 grados del primero, y, en el sentido de las diagonales. En la medición de resistividad de un terreno, es común encontrar valores muy dispares, causados por la geología del terreno, por lo que es una práctica común de una tabla con lecturas, el eliminar los valores que estén 50% arriba o abajo del promedio aritmético de todos los valores capturados.

Megger de Cuatro Terminales. Cortesía AVO International.

7.2.1 MÉTODO DE WENNER.

En 1915, el Dr. Frank Wenner del U.S. Bureau of Standards desarrolló la teoría de este método de prueba, y la ecuación que lleva su nombre. 

Con objeto de medir la resistividad del suelo se hace necesario insertar los 4 electrodos en el suelo. Los cuatro electrodos se colocan en línea recta y a una misma profundidad de penetración, las mediciones de resistividad dependerán de la distancia entre electrodos y de la resistividad del terreno, y por el contrario no dependen en forma apreciable del tamaño y del material de los electrodos, aunque sí dependen de la clase de contacto que se haga con la tierra.

El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de baja frecuencia a través de la tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el potencial que aparece se mide entre dos electrodos P1 y P2. Estos electrodos están enterrados en línea recta y a igual separación entre ellos. La razón V/I es conocida como la resistencia aparente. La resistividad aparente del terreno es una función de esta resistencia y de la geometría del electrodo. 

En la figura se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos, en donde la corriente se inyecta a través de los electrodos exteriores y el potencial se mide a través de los electrodos interiores. La resistividad aparente está dada por la siguiente expresión:

Si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de separación entre electrodos (A). O sea A > 20B, la siguiente fórmula simplificada se puede aplicar:

La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la resistividad promedio de un hemisferio de terreno de un radio igual a la separación de los electrodos.

Como ejemplo, si la distancia entre electrodos A es de 3 metros, B es 0.15 m y la lectura del instrumento es de 0.43 ohms, la resistividad promedio del terreno a una profundidad de 3 metros, es de 8.141 ohm-m según la fórmula completa y de 8.105 ohms-m según la fórmula simplificada.

Se recomienda que se tomen lecturas en diferentes lugares y a 90 grados unas de otras para que no sean afectadas por estructuras metálicas subterráneas. Y, que con ellas se obtenga el promedio.

7.2.2. MÉTODO DE SCHLUMBERGER

El método de Schlumberger es una modificación del método de Wenner, ya que también emplea 4 electrodos, pero en este caso la separación entre los electrodos centrales o de potencial (a) se mantiene constante, y las mediciones se realizan variando la distancia de los electrodos exteriores a partir de los electrodos interiores, a distancia múltiplos (na) de la separación base de los electrodos internos (a).

La configuración, así como la expresión de la resistividad correspondiente a este método de medición se muestra en la figura.

El método de Schlumberger es de gran utilidad cuando se requieren conocer las resistividades de capas más profundas, sin necesidad de realizar muchas mediciones como con el método Wenner. Se utiliza también cuando los aparatos de medición son poco inteligentes. Solamente se recomienda hacer mediciones a 90 grados para que no resulten afectadas las lecturas por estructuras subterráneas.

7.3 PERFIL DE RESISTIVIDAD

Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, se utiliza el Método de Wenner con espaciamientos entre electrodos de prueba cada vez mayores. Por lo general, para cada espaciamiento se toman dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí.

La gráfica resultante de trazar el promedio de las mediciones de resistividad (R) contra distancia entre electrodos (a) se denomina perfil de resistividad aparente del terreno.

   

7.4 DATOS DE RESISTIVIDAD DE SUELOS TÍPICOS

 MATERIAL

Permafrost Asfalto Seco  Asfalto Mojado Concreto Seco Concreto Mojado Compuesto GAP seco Compuesto GAP con 30% de agua en masa

RESISTIVIDAD (ohm-metro)

3500 - 4000 2*10 e6 - 30*10e6 10000 - 6 * 10 e6

1200-28000  21-100 0.032 0.015

7.4.1 DATOS DE RESISTIVIDAD DEL SUELO DE LA CIUDAD DE LEÓN, GTO. (@ 3 metros de profundidad)  

CERRO DE LAS HILAMAS (Rocoso) CERRO GORDO (Rocoso) COLONIA PARQUE MANZANARES (Arenoso) ESTACIÓN DEL FERROCARRIL (Arcillas) TECNOLÓGICO DE LEÓN (Arcillas) PARQUE HIDALGO (Antiguo ojo de agua) 

220 ohm-m   80 ohm-m   14 ohm-m     8 ohm-m     7 ohm-m     3 ohm-m

7.4.2 DATOS DE RESISTIVIDAD DEL SUELO DE OTROS LUGARES  

IRAPUATO, GTO. (LAPEM) a 1.6 m de profundidad. 11-27 ohm-m

7.5 EJEMPLOS DE PERFILES DE RESISTIVIDAD

7.5.1 Capa superficial arcillosa y húmeda, capa inferior rocosa: perfil de resistividad ascendente. Lugar: Parte norte de la zona urbana de  León, Guanajuato. Para simular su comportamiento se requiere de por lo menos utilizar los valores de 2 capas.

7.5.2 Capa superficial muy seca, capa inferior arenosa: perfil de resistividad descendente. Lugar: Zona urbana de  Aguascalientes, Ags. Para simular su comportamiento se requiere de por lo menos utilizar los valores de 2 capas.

7.5.3 Terreno rocoso y seco. Perfil de resistividad plano. Lugar: Zona del cerro de la Bufa en Zacatecas, Zacatecas. Para simular su comportamiento se puede utilizar la resistividad promedio.

Existen programas para elaborar modelos del terreno con los datos de las mediciones. La figura de ejemplo es del programa RESAP-Soil Resistivity Analysis de la compañía Safe Engineering Services and Technologies Ltd.

8. Materiales de Puesta a Tierra

8.1 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA 

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [1.3] (250-26c), los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eléctricos deben estar accesibles y  preferiblemente en la misma zona del puente de unión principal del sistema.

De acuerdo con la norma oficial mexicana [1.3] (250-8), el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los siguientes tipos de electrodos (siempre que existan):

Tubería metálica de agua enterrada. Estructura metálica del inmueble. Electrodo empotrado en concreto (Ufer) Anillo de tierra .

En caso de no disponer  de alguno de los anteriores, se deben usar uno o más de los electrodos especialmente construidos:

Electrodos de varilla o tubería. Electrodos de Placa Otras estructuras o sistemas metálicos subterráneos cercanos.

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son:

1. Tuberías de gas enterradas. Porque en los E.U. las compañías suministradoras de este fluido se opusieron a ello.

2. Electrodos de aluminio. Aunque en Europa se han utilizado, los comités del NEC [1.4] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos químicos que se le forman no son buenos conductores eléctricos.

Es importante hacer notar que en lugares donde existe congelamiento de la superficie, la profundidad de enterramiento es mayor a la que se menciona en los párrafos siguientes; o, en los cálculos debe considerarse como aislada la parte del sistema de tierras que puede estar en contacto con la tierra congelada.

En los siguientes puntos se explica cada uno de esos tipos de electrodos.

8.1.1. TUBERÍA METÁLICA DE AGUA ENTERRADA

Para que una tubería de agua pueda usarse como electrodo de puesta a tierra, debe reunir los siguientes requisitos:

1. Por lo menos tener 3 m en contacto directo con la tierra. 2. Eléctricamente continua hasta el punto de conexión, puenteando el

medidor del agua, si está colocado en una posición intermedia.

La única desventaja de su uso es que debe complementarse con un electrodo adicional, de cualquiera de los tipos mencionados arriba.

conector para tuberías

Por otro lado, la American Water Works Association [8.5] está propugnando por eliminar las tuberías de agua como electrodos principales, debido a que

con el uso cada vez mayor de equipos electrónicos, la corriente de fuga a tierra es en parte corriente continua, lo que provoca corrosión galvánica en las tuberías. 

No confundir este tipo de electrodo, con el requerimiento, casi siempre olvidado, del artículo (250-80a) de la norma oficial mexicana [1.3], de conectar los sistemas interiores de tuberías para agua al puente de unión principal o a los electrodos de puesta a tierra, de acuerdo con la tabla 250-94 de la misma norma, con el fin de igualar potenciales en caso de una falla.

8.1.2 ESTRUCTURA METÁLICA DEL EDIFICIO

La estructura metálica de los edificios puede ser usada, siempre que esté bien puesta a tierra, esto es, que su impedancia a tierra sea baja.

Para que sea baja la impedancia, se deben unir las columnas a las partes metálicas de la cimentación con conductores según los calibres de los conductores de puesta a tierra de la norma [1.3](250-94) y, en caso de haber sellos formados por películas plásticas, se deben puentear éstos.

8.1.3. ELECTRODOS DE CONCRETO ARMADO O UFER.

Los electrodos Ufer, se llaman de esa manera en memoria de un ingeniero de nombre Herb Ufer, quien estuvo a cargo de los laboratorios de los aseguradores (UL) en Los Ángeles de 1927 a 1953. Aparentemente él estuvo encargado de las pruebas de electrodos de puesta a tierra para arsenales en Arizona en 1942. Claramente, la tierra arenosa es el peor terreno para obtener una resistencia baja. Pero, los electrodos de concreto armado que él midió tuvieron una resistencia a tierra de 5 ohms o menos. En los sesentas, varios sitios en el oeste americano, entre ellos estaciones de ski en la sierra,  fueron probados con electrodos Ufer, obteniéndose tan buenos resultados, que el National Electrical Code 1968 reconoció este tipo de electrodos. 

Consisten en utilizar en las estructuras nuevas, el acero del concreto armado como electrodo principal, siempre y cuando la cimentación haya sido diseñada para este fin con los cables de tierra adecuados conectados a las varillas.

conector para varilla. ERICO.

La NOM [1.3] (250-81c) dice que deben de constar de  por lo menos de 6 metros de una o más varillas de acero desnudo o galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eléctricamente conductor, de no menos de 13 mm de diámetro, localizadas en y cerca del fondo de un cimiento o zapata y, empotradas al menos 50 mm en el concreto. 

El concreto tiene una estructura química ligeramente alcalina e higroscópica. La combinación de estas características provee iones libres que permiten al concreto exhibir una resistividad consistentemente de unos 30 ohm-m. Los electrodos de concreto tienen una resistencia a tierra menor o igual que las varillas de cobre de un tamaño comparable, siempre que estén en contacto con suelos con resistividad de 50 ohm-m o menor [8.2]. 

Algunas pruebas indican que la resistencia típica a tierra de una base para columna de anclaje medida en los pernos es de alrededor de 50 ohms, sin usar métodos especiales. De ahí que la resistencia efectiva de un edificio de estructura metálica con veintitantas columnas en paralelo es de menos de 5 ohms, siempre y cuando se asegure que la estructura esté conectada a las varillas. Para ello, se suelda por métodos de fusión un cable de acero a las varillas, mismo que se conectará a su respectiva columna.

Conectores Woertz

En los lugares donde es posible que caigan descargas atmosféricas en el sistema de tierras con electrodos de concreto, éstos deben complementarse con electrodos de otro tipo, para que las grandes corrientes debidas a esas descargas no causen ningún daño por fractura al evaporar muy rápidamente el agua presente en el concreto.

8.1.4. ANILLO DE TIERRA

Un anillo de tierra consiste en un conductor de cobre desnudo, de sección transversal no menor al calibre 2 AWG (por resistencia mecánica) y de longitud no menor a 6 m enterrado a una profundidad de 800 mm y, que rodee al edificio o estructura.

Estos anillos de tierras se emplean frecuentemente circundando una fábrica o un sitio de comunicaciones o de cómputo, para proveer un plano equipotencial para edificios y equipos. 

8.2 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA ESPECIALMENTE CONSTRUIDOS.

Cuando no se dispone de alguno de los electrodos mencionados en el punto anterior, la norma oficial mexicana [1.3](250-83) dispone que se puedan usar uno o mas de los electrodos siguientes:

a) De Varilla o Tubería. b) Electrodos de Placa. c) Estructuras metálicas subterráneas

8.2.1. ELECTRODOS DE VARILLA O TUBERÍA

De acuerdo con la NOM [1.3](250-83c) los electrodos de varilla y tubo, no deben tener menos de 2,40 m de largo y deben instalarse de tal modo que por lo menos 2,40  m de su longitud esté en contacto con la tierra. Las varillas de metales no ferrosos deben estar aprobadas y tener un diámetro no inferior a 13 mm de diámetro, y las demás de por lo menos 16 mm. Las tuberías deben tener un diámetro no inferior a  19 mm, y si son de hierro, deben tener una protección contra corrosión en su superficie.

Hay que notar que la varilla de 5/8" comercial mide 14,7 mm de diámetro y que la varilla con protocolos de CFE 16 mm.

Las varillas de acero con un recubrimiento de cobre (copperweld) de 10 milésimas dura un promedio de 35 años en un suelo promedio; si tiene un recubrimiento de 13 milésimas dura hasta 45 años. En cambio, una varilla de acero galvanizado tiene una vida estimada de 15 años.

Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusión hasta que alcanzan la profundidad adecuada. En caso de terrenos rocosos o de tepetate, las varillas no pueden meterse de esa manera; se doblan o solamente no pueden entrar. Ocasionalmente se ha sabido de casos donde las varillas han sido regresadas hacia la superficie después de haber tratado de clavarlas en terrenos rocosos.

Cuando la roca está a menos de 2,40 m, estos electrodos pueden meterse en diagonal hasta con un ángulo de 45 grados de la vertical. Pero, si no es este el caso, se deben enterrar horizontales en una trinchera abierta para el caso a 800 mm de profundidad por lo menos.

La alternativa al golpeado es perforar un agujero, instalar la varilla y rellenar nuevamente el agujero, aunque no se obtiene la compactación ni la baja resistencia de contacto de la varilla percutida.La resistencia de contacto de una varilla está dada por la fórmula de Dwight [8.3] del M.I.T.

donde: p es la resistividad del terreno en ohm - m L es el largo de la varilla en m r es el radio de la varilla en m

En la tabla 10.1.1 se muestra la resistencia a tierra (teórica) de otras configuraciones de electrodos. 

8.2.2. ELECTRODOS DE PLACA

Los electrodos de placa no deberán tener menos de 0,2 metros cuadrados de superficie en contacto con el suelo. Y las placas de acero o fierro deberán tener por lo menos 6,4 mm de espesor. Si son de material no ferroso deberán tener por lo menos 1,52 mm de espesor.

8.2.3. ESTRUCTURAS METÁLICAS ENTERRADAS

La NOM menciona la puesta a tierra mediante sistemas de tuberías o tanques enterrados. Pero, puede ser cualquier clase de estructura metálica subterránea.Las normas americanas MIL-STD-1542B, MIL-HDBK-419 y MIL-STD-188-124 no recomiendan el uso de los ademes de pozos para lograr una baja impedancia a tierra. Las normas mencionadas hacen énfasis en que los ademes

presentan muy baja resistencia a tierra en c.d., pero, no reducen la impedancia en corriente alterna, y, mencionan que si los ademes metálicos son  utilizados como parte del sistema de tierras, no deben ser los únicos elementos en contacto con el suelo.

8.3. ELECTRODOS PARA PUESTA A TIERRA EN RADIO FRECUENCIA (NO EN LA NOM-OO1-SEDE).

En el caso de torres de radiodifusión, se emplean cables en configuración de estrella (radiales) para su puesta a tierra. Y, se ha encontrado más efectivo tener conectados los cables en un punto que tener múltiples anillos rodeando el sitio.

Esos cables radiales llamados contra-antenas pueden ser menores a 30 m de largo si el suelo es adecuado. 

Los cables dispersan la energía de las descargas muy eficientemente. Como la corriente se divide en proporciones iguales en los cables radiales, entre más cables, menor corriente los circula. Y, una baja corriente es más fácil de disipar y tendrá menor impacto en la elevación del potencial de tierra del sistema.

En la tabla 10.1.1 se describe la resistencia a tierra (teórica) de estos electrodos en sus distintas configuraciones. Como se observa en ese documento, más de cuatro brazos no son recomendables.

8.4. ELECTRODOS PARA PUESTA A TIERRA DE PARARRAYOSEn México, los electrodos para puesta a tierra de pararrayos más utilizados son los llamados rehiletes, que están formados por placas de cobre soldadas a una varilla del tipo copperweld. Su dimensión total es entre 0,80 y 1,20 m. Por su corta longitud, en lugares donde el tiempo de secas es largo, no son apropiados porque en ese tiempo su resistencia a tierra puede ser fácilmente mayor a 10 ohm.

8.5 MALLAS

La norma oficial mexicana de instalaciones eléctricas requiere de un sistema enmallado de tierra con múltiples electrodos y conductores enterrados, cuando están involucradas tensiones y corrientes eléctricas muy altas,  con el fin de minimizar los riesgos al personal  en función de la tensión eléctrica de paso y de contacto [1.3](921-18)

La malla consta de una red de conductores enterrados a una profundidad que usualmente varía de 0,30 a 1,0 m,  colocados paralela y perpendicularmente con un espaciamiento adecuado a la resistividad del terreno y preferentemente formando retículas cuadradas.

El cable que forma el perímetro exterior de la malla debe ser continuo de manera que encierre toda el área en que se encuentra el equipo eléctrico de la subestación o planta generadora. Con ello, se evitan altas concentraciones de corriente y gradientes de potencial en el área y terminales cercanas [1.3](921-25).

En cada cruce de conductores de la malla, éstos deben conectarse rígidamente con soldadura exotérmica entre sí y en los puntos donde se conectan los equipos que pudieran presentar falla o, en las esquinas de la malla, los conductores  deben conectarse a electrodos de varilla o tubo de 2,4 m de longitud mínima, clavados verticalmente.

Los cables que forman la malla deben colocarse preferentemente a lo largo de las hileras de estructuras o equipo para facilitar la conexión a los mismos, ya que es una práctica común de ingeniería aterrizar a dos cables diferentes todos los equipos.

En 10.2.2 Cálculo de la malla requerida para subestación de potencia cumpliendo con el voltaje de paso y de contacto (IEEE Std 80) se encuentra el cálculo del calibre mínimo del conductor de la malla para resistir las corrientes de falla.  Es importante notar que en Europa se emplea el estándar alemán DIN 57141, que da resultados equivalentes de calibres mínimos.

Los conectores empleados en la malla del sistema de tierras de una subestación deben ser de tipo de compresión o soldables. 

Los cables empleados en las mallas de tierra son de: acero, acero inoxidable, acero galvanizado, y cobre. Para evitar la corrosión galvánica en terrenos de baja resistividad, algunas compañías eléctricas  desde el diseño utilizan en sus mallas de tierras, cable de cobre estañado para bajar el potencial electronegativo entre los diferentes metales.   El cobre aún es el material más utilizado porque tiene buena conductividad, es resistente a la corrosión y tiene un punto elevado de fusión (1083 C), y dentro de los cables de cobre, se prefiere en el orden por su baja resistencia: temple suave, temple semiduro, temple duro. Pero cuando se considera el robo del cobre como el factor importante, compañías eléctricas y de telecomunicaciones han cambiado al cable de acero tipo Copperweld.

 Conductor de acero Copperweld - acasolutions.com

 

8.6 MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA A TIERRA. 

La NOM (250-84) permite para los sistemas con un electrodo único que conste de una varilla, tubería o placa, que no tiene una resistencia a tierra de 25 ohms o menos, que se complemente con  electrodos adicionales de los tipos mencionados en  8.1 separados por lo menos una distancia de 1,83 m entre sí.

En la práctica, cuando la resistencia del electrodo único mencionado, excede del valor buscado, esa resistencia se puede reducir de dos siguientes maneras: mejorando el electrodo, o mejorando el terreno alrededor del electrodo.   8.7 MEJORAMIENTO DEL ELECTRODO.

El electrodo en sí, puede ser mejorado:

a) Usando una varilla de mayor diámetro. b) Usando varillas más largas c) Poniendo dos, tres o más varillas en paralelo.

a) VARILLAS DE MAYOR DIÁMETRO  

Usando varillas de 19 mm en lugar de varillas de 13 mm se logra una reducción en la resistencia a tierra de hasta un 10% máximo. Muy poco en realidad.

b) VARILLAS MÁS LARGAS

Para los casos donde las capas superiores de la tierra son de arena y donde a gran profundidad se encuentra una capa de terreno húmedo, existen varillas que se acoplan unas a otras para lograr longitudes hasta de 15 m.

Por lo general, doblando el largo, se obtiene una reducción del 40% de resistencia a tierra. Otra ventaja es que con el uso de varillas largas, se controla el gradiente de potencial en la superficie. 

Los electrodos de puesta a tierra de las subestaciones en c.d., son mucho más largos que los normalmente utilizados en corriente alterna. En la estación rectificadora de Rice Flats de la Bonneville Power Authority, se utilizan electrodos de 60 metros de largo, para evitar el fenómeno de electro-osmosis, manteniendo una densidad baja de corriente en toda la superficie del electrodo.

c) VARILLAS EN PARALELO (ELECTRODOS MÚLTIPLES)

El colocar varias varillas en paralelo es una manera muy efectiva de bajar la resistividad. Pero, las varillas de tierra no deben ser colocadas muy cerca una de otra [1.1], porque cada varilla afecta la impedancia del circuito, por los efectos mutuos.

La NOM [1.3] (250-83) dice que la distancia entre ellas o de cualquier electrodo, no debe ser menos de 1,8 m, aunque se recomienda que estén separadas más del largo de cualquiera de ellas. Por ejemplo, dos varillas en paralelo a 3 metros de distancia ofrecen una resistencia del 60% de la resistencia a tierra de una sola de ellas. Pero, incrementando ese espaciamiento a 6 m, la reducción de la resistencia es del 50%. 

Cuando se utilizan múltiples electrodos, la impedancia es mayor y cada electrodo adicional no contribuye con una reducción proporcional en la resistencia del circuito. Por ejemplo, dos varillas reducen la resistencia al 58% de una sola, mientras que 10 varillas apenas reducen ese valor al 10 %.

La resistencia neta para (n) varillas (Rn) está determinada por la resistencia de una sola varilla (R). Este es un valor aproximado que considera que las varillas están espaciadas por una distancia igual al diámetro del cilindro protector.

Y, representa el decaimiento de la capacitancia asociada con la propagación en la tierra.

Es de observar que, muchas varillas cortas tienden a ser más efectivas que unas cuantas largas. Ésto puede ser verificado al unir las ecuaciones de las resistencias individuales y las de grupo. Considere como ejemplo de ésto, un terreno de resistividad de 1000 ohm-m. Una varilla de 25 cm da una resistencia a tierra de 300 ohm. Dos varillas de 12,5 cm dan una resistencia de 210 ohm. Esto es, 2/3 de la resistencia. Obviamente que esto supone que el terreno superficial es razonablemente conductor. 

En la tabla 10.1.1 se muestra la resistencia a tierra (teórica) de diversas configuraciones de electrodos. 

 

8.8 MEJORAMIENTO DEL TERRENO.

Cuando un sistema eléctrico se expande, la que se creía era una baja resistencia a tierra, se hace mala. Asimismo, el uso cada vez mayor de tuberías no metálicas y, la caída en el nivel de aguas freáticas en muchos lados, ha resultado en mayores resistencias a tierra de sistemas de electrodos que las de diseño.

Cuando la resistencia a tierra no es lo suficientemente baja, hay algunos métodos para bajarla.

En el punto 8.6 anterior, hemos visto que el utilizar varillas más largas y, el uso de muchas varillas en paralelo, baja la resistencia a tierra, pero, cuando lo anterior ya no es posible, se tiene que mejorar el terreno mismo mediante productos químicos. Pero, tiene el inconveniente de ser una solución costosa y que bajo ciertas circunstancias se requiere de mantenimiento.

El problema de lograr una resistencia baja en la roca así como en otros suelos de alta resistividad,  está asociada con el material en contacto con el electrodo y la compactación que éste recibe al rellenar el agujero.

El relleno ideal debe compactarse fácilmente, ser no corrosivo y a la vez buen conductor eléctrico. La bentonita entre otros compuestos como el sulfato de magnesio o de sulfato de cobre, o de compuestos químicos patentados (El peruano THOR GEL, el GEM de Erico, el GAP de Alta Conductividad 2000 S.A., GRAF de IPECSA, Cero-Ohm, Inte-France, etc.) cumple con esos requisitos.

En la figura, un método utilizado en sudamérica.

La bentonita es una arcilla consistente en el mineral montmorillonita, un silicato de aluminio, y tiene la particularidad de absorber hasta cinco veces su peso de agua y de hincharse hasta 13 veces su volumen seco [9.1]. Y tiene una resistividad de 2.5 ohm-m con humedad del 300%.

Aparte del relleno con alguno de los compuestos mencionados, existen otros métodos químicos más. En el primero, es el uso de un electrodo hueco relleno de una sustancia química que se diluirá con el tiempo en el terreno adyacente. Ver dibujo.

Este método es efectivo donde hay poco espacio como en banquetas o estacionamientos, pero es fácilmente demostrable que la resistencia a tierra obtenida, puede ser fácilmente obtenida de una manera más económica con electrodos múltiples.

El otro método es excavar una zanja alrededor de la varilla y llenarla con unos 20 o 40 kg de los compuestos químicos mencionados arriba, diluyendo con agua.  

La primera carga dura unos 2 o 3 años y, las posteriores aún más, por lo que el mantenimiento es menos frecuente con el tiempo.

Por último, se puede utilizar uno de los cementos puzolánicos de tipo grafítico conductores (EarthLink 101, Conducrete, San-Earth, etc.) de la siguiente manera: se cubre el cable del electrodo [4/0 AWG] colocado horizontalmente en una zanja de unos 60 a 75 cm de profundidad, con una capa de cemento seco de unos 5 cm de grueso y 50 a 60 cm de ancho. Con el tiempo, el cemento toma la humedad del suelo y endurece. Este método desarrollado en Japón en los 70s, tiene la ventaja que no requiere mantenimiento, es antirrobo,  y por el tipo de material, no se corroen los cables con el tiempo. Y, se adapta perfectamente a los lugares donde la capa superficial es poco profunda y de alta resistividad. La resistencia a tierra promedio se puede calcular utilizando la página: www.sankosha-usa.com/calc4.asp, o con el formulario.El perforar y usar explosivos para hacer grietas en suelos rocosos, como se utiliza para cimentar las torres de líneas de transmisión, se ha utilizado en China para mejorar la resistividad de un terreno de alta resistividad, utilizando un material de baja resistividad para rellenar las grietas [8.6]Como resultado del mejoramiento del terreno se observa en las mediciones que la variación estacional de la resistencia de un electrodo es mucho menor a la que pudiera obtenerse en un terreno natural no mejorado. 

8.9 CONECTORES

Los conectores de conductores de puesta a tierra con los electrodos pueden ser del tipo de soldadura exotérmica, conectores a presión, abrazaderas u otros medios aprobados [1.3](250-115). Y no deben tener soldaduras con materiales de puntos de baja fusión (estaño, plomo, etc.) para evitar falsos contactos, ya que pierde características de seguridad la malla, si se llegara a abrir. En nuestro país, se prefieren las conexiones exotérmicas [De marcas: Cadweld, Thermoweld, Ultraweld o Mexweld] para redes de tierras de subestaciones de alta potencia y para las redes utilizadas en sistemas de comunicaciones y cómputo. 

La aplicación de la soldadura exotérmica a cables se la debemos al Dr. Charles Cadweld quien trabajaba como consultor para la compañía Electric Railway Improvement Company, conocida hoy por sus iniciales como ERICO, y fue usada originalmente para unir los cables de señal a los rieles de ferrocarriles. La compañía ERICO patentó el proceso y le llamó Cadweld en honor al doctor.

Para fabricar una conexión exotérmica no es necesaria una fuente de energía externa. Al encender una chispa sobre el polvo ignitor, se inicia una reacción química, donde el óxido de cobre es reducido por el metal aluminio, produciendo cobre fundido a unos 1400 C y escoria de aluminio. Este cobre fluye sobre los conductores soldándolos en la forma del molde de grafito, obteniendo una unión metálica sólida en unos 20 segundos.  La mezcla adecuada de metal y polvo ignitor (llamada "carga") depende del tamaño de la cavidad del molde, la que los fabricantes han codificado por números que representan el peso de la mezcla: 32, 45, 65, 90, 115, 150, 200, 250 y 500. Es importante notar que una buena unión depende del ajuste del molde a los conductores, ya que hay que tomar en cuenta que los moldes de grafito en uso normal se van desgastando y solamente sirven para máximo unas 50 soldaduras.

Los conectores a presión a usarse en sistemas de puesta a tierra deben ser adecuados para el número y tipo de conductores. Además, deben de ser compatibles con los materiales de  los conductores y los electrodos de puesta a tierra, y cuando se usen enterrados, deben ser del tipo apropiado [1.3](250-115) con la leyenda BURIED. 

8.10 REGISTROS

La sección [1.3](250-117) dice textualmente que "las abrazaderas u otros accesorios para puesta a tierra, deben estar aprobados para su uso general sin protección, o protegerse contra daño físico...con una cubierta protectora...", y la Sección 250-112 menciona que la conexión debe ser accesible, siempre que no esté en un electrodo hundido, empotrado o enterrado.

Pero en el caso de las subestaciones, la misma norma especifica  que deben hacerse mediciones periódicas en los registros para comprobar que los valores del sistema de tierras se ajustan a los valores de diseño. Por ello, se recomienda dejar registros en los electrodos de varilla.

Cuando se coloquen registros, se recomienda que sean al menos  de 150 mm de diámetro para hacer cualquier maniobra y, que tengan tapa.

Aparte de los registros de fábrica, hechos de polietileno, que son de utilidad en zona de tránsito de persona donde el voltaje de paso es muy elevado,

se pueden construir esos registros empleando un tubo de albañal, lo que es mejor para la conductividad,  con la boca hacia arriba para que sirva de tope a una tapa de cemento.  Es importante notar que dentro de los registros, la conexión a los electrodos se realiza con conectores del tipo mecánico.

8.11 CONDUCTORES DEL ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA.

El conductor del electrodo de puesta a tierra sin ningún empalme (Exc. empalmes irreversibles (250-81 Exc 1) puede llevarse a cualquiera de los electrodos disponibles del sistema de puesta a tierra y es dimensionado según el mayor calibre requerido para todos los electrodos disponibles de acuerdo con la tabla 250-94 de la NOM [1.3]. Excepto en el caso de un único electrodo del tipo varilla, o del tipo Ufer, donde se permite que el conductor del electrodo no sea mayor de calibre 6 AWG en cobre (250-94 Exc a y b) [1.3]

Este conductor, si es de calibre 4 AWG o mayor, no requiere de protección, excepto en casos donde esté expuesto a daño físico severo. En caso de ser calibre 6 AWG debe fijarse a la construcción o, debe correr por un tubo conduit. Y, los calibres menores, deben correr siempre por tuberías conduit. En el caso de las tuberías conduit, éstas deben ser eléctricamente continuas; esto es, deben estar conectadas a tierra en ambos extremos. Inclusive las que cubren el cable de puesta a tierra de las acometidas residenciales.Estos cables no deben ser de aluminio o de cobre con aluminio porque  se corroen cuando están en en contacto con la tierra o con el cemento. Por ello, la norma mexicana de Instalaciones eléctricas sólo permite el uso de aluminio como conductor desde una altura mínima de 450 mm sobre el terreno natural [1.3] (250-92a).   8.12 EJEMPLOS DE LISTADOS DE MATERIALES PARA PUESTA A TIERRA. a) Malla para subestación de potencia. 

150 mCable de cobre temple suave de 19 hilos, calibre 4/0 AWG. Marca Conductores Monterrey Viakon.

9 PzaVarilla electrodo de puesta a tierra de tipo Copperweld de 5/8" de diámetro, y 3 m de longitud. Con 0.010" de revestimiento.

1 PzaMolde para conector exotérmico en "X" de cable de paso calibre 4/0 AWG  a cable de paso calibre 4/0 AWG, marca Cadweld modelo XBM-2Q2Q

1 PzaMolde para conector exotérmico en  "T" de cable de paso calibre 4/0 AWG  a cable de derivación a tope calibre 4/0 AWG, marca Cadweld modelo XAC-2Q2Q

1 PzaMolde para conector exotérmico de  cable de paso calibre 4/0 AWG a varilla electrodo de 5/8", marca Cadweld modelo GTC-162Q

1 PzaConector mecánico para cable 4/0 de paso a varilla 5/8", marca Burndy modelo GAR6429

16 Pza Carga para soldadura exotérmica marca Cadweld modelo 250

6 Pza Carga para soldadura exotérmica marca Cadweld modelo 200

9 Pza Carga para soldadura exotérmica marca Cadweld modelo 115

1 PzaRegistro de PVC de 10" de diámetro y 24" de profundidad. Tapa de acero. Marca Harger Modelo 362PBS

TEORIA Y DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

11. Preguntas Frecuentes

OBJETIVO.  El objetivo de esta lista es recopilar la  experiencia de  los Ingenieros que proyectan, instalan y operan los  sistemas de tierras y de puesta a tierra, para beneficio de la profesión.

3. PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELECTRONICOS 

3.1 ¿Qué ventajas tiene utilizar cable contra conductores sencillos para conectar un motor?

Si es un motor alimentado de un arrancador normal, es lo mismo, pero, cuando se están utilizando inversores electrónicos, el ruido eléctrico emitido es mucho menor, y se debe la distribución uniforme de los conductores, incluyendo el de puesta a tierra dentro del cable.  

5. PUESTA A TIERRA DE PROTECCION ATMOSFERICA 

5.1 ¿Son mejores los pararrayos ionizantes?

Después de años de aplicación, no existe una respuesta definitiva porque sus detractores han encontrado que en algunos casos funcionan igual que las puntas Franklin.

5.2. ¿Se requiere poner una varilla electrodo en cada poste de alumbrado? Esta práctica se hace por las compañías eléctricas americanas, ya que normalmente los postes de alumbrado llevan también circuitos de distribución con el neutro corrido y, el neutro lo van aterrizando a lo largo de la trayectoria en algunos postes. No es necesario para los postes de alumbrado, aunque se pensara su uso como pararrayos,  ya que el poste está aterrizado de facto.

7. MEDICIONES DE RESISTIVIDAD PARA DISEÑO 

7.1.  En caso de desconocerse la resistividad de un terreno  y,  de carecer  de  aparato, cómo efectuamos un  cálculo  práctico  para elaborar nuestro sistema de tierras?

El método de Wenner de cuatro puntos trabajando con electricidad a 60 Hz, nos proporciona una lectura aproximada y conservadora.

7.2.  Cuando se encuentra roca, ¿qué método se sugiere para mejorar la resistividad del terreno?

Romper la roca e introducir bentonita o un compuesto comercial como el GEM.

8. MATERIALES DE PUESTA A TIERRA 

8.1.  ¿Porqué  se usa 4/0 en subestaciones, si en cálculos obtenemos  calibres  mucho menores?

En realidad, es la experiencia de muchos ingenieros de las compañías  eléctricas la que ha dictado esa norma y, se hace para  que soporte  holgadamente los esfuerzos mecánicos de una falla  donde la protección no opere satisfactoriamente y para que no  obstante los efectos de corrosión, siempre exista una buena tierra.

8.2.  En  la línea 8 del Metro de la ciudad de  México  se  empleó aluminio para la red de tierras, lo que no aprueba la Norma NOM-001-SEDE-1999?

Es  una  violación a la sección 250-83e de la Norma  citada, pero, ésta no tiene vigencia en las compañías de trenes eléctricos. Adicionalmente se comenta que el subsuelo de la Ciudad de  México permite el uso de dicho metal y éste se usó para  abaratar la instalación.

8.3. Existen en el mercado electrodos de puesta a tierra  patentados. ¿Son buenos? Por  lo general sí y en su aplicación se ahorra mucho tiempo de instalación, pero no quiere decir que trabajen en forma diferente a los que mejorando el terreno se pudieran tener.

8.4. ¿Cuál  es la separación mínima entre electrodos para  que  el efecto mutuo sea bajo?

Se  considera en las normas aplicables que una distancia igual  o mayor  a 3.0 m entre 2 electrodos de 3.0 m de largo es apropiado, y, en lo general, se utiliza la regla de la mitad de la  suma de las longitudes de cualquier tipo de electrodo.

8.5. En libros de texto se menciona el uso de la sal como medio químico para mejorar la resistividad, ¿es correcto?

Así fue la práctica hasta hace unos años en que se estudió el caso. La sal se diluye por presión osmótica en  el terreno, y ésto, al principio, mejora la resistividad del terreno. Pero, al paso del tiempo, la corrosión que sufrió el metal en contacto con la  sal  y la disminución paulatina de la  concentración  salina, elevan nuevamente la resistividad. La  bentonita, con su propiedad de retención de agua, es  lo  más recomendado actualmente para mejorar un terreno, siempre y cuando se mantenga húmedo.

8.6. ¿Porqué se permite conectar una varilla con un calibre 6  AWG de  Cobre, sin importar la corriente de falla o, calibre de conductores de acometidas?

Porque  se ha demostrado que la resistencia del electrodo hacia tierra  es  la limitante, por lo que aunque se  desee,  no puede conducir mayor corriente.

8.7. ¿Porqué se prefiere la tubería del agua fría a la caliente? Porque la tubería de agua fría, en la mayoría de los casos, tiene una trayectoria menor a tierra y, está más en contacto con ésta.

8.8.  El conductor de puesta a tierra de las acometidas,  se  está cubriendo  para evitar su robo con un tubo conduit.  ¿Es  correcto que se deje aislado?

Ni la NOM-001-SEDE-1999 ni el NEC se oponen a que sea  aislado este conductor, pero, es un hecho que si no se aterriza en  ambos extremos el tubo metálico, el conductor presentará una reactancia mucho muy elevada a la corriente de falla, y es una violación  a dichas normas.

9. DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA 

9.1. En el caso de una subestación de pedestal, cuyo transformador tiene  una conexión delta-estrella, ¿es suficiente una  varilla  de tierra como dice la NOM-001-SEDE-1999?

Definitivamente no; y se debe instalar una red de tierras completa  porque una falla en el primario a tierra dentro del  gabinete eleva a niveles muy peligrosos el potencial de paso y de  contacto. - Realice el cálculo si existe duda - La Norma debería especificar que es suficiente únicamente en subestaciones cuyo transformador está conectado Estrella-Estrella con neutro corrido- Ya  se  hizo  la observación  a  la Secretaría de Energía para añadir la  nota  en futuras ediciones de la Norma -

9.2. ¿En qué influyen los hilos de guarda en el cálculo de la red de tierras de una subestación?

Como los hilos de guarda unen las estructuras más importantes  solo influyen  en la corriente de falla que circulará por  la  malla, pero las recomendaciones que se siguen como Norma ( en Norteamérica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )[1.1] son muy conservadoras, y así se especifica. E implícitamente consideran un factor de aumento futuro del nivel de corto circuito.

9.3.  En  subestaciones industriales, ¿cuál es el  número  usual  de puntos de puesta a tierra de cada equipo?

Por confiabilidad, dos, y conectados a cables distintos de la red de tierras.9.4. ¿Cuál es profundidad de la malla de tierra?

Tradicionalmente la Facultad de Ingeniería de UNAM ha enseñado que 0,60 m, lo que ha hecho escuela en México. Pero, el cálculo debe decir si es correcta o no esa profundidad. En los Estados Unidos, en los últimos años se han utilizado 0,45 m (1.5 pies)

9.5  En  subestaciones en desniveles, ¿qué pasa con las  mallas  de tierras? El  diseño se divide en partes, aunque unidos en los extremos.  Y en casos extremos, cuando los buses están independientes, son dos o más diseños independientes.

9.6. ¿Qué hacer si se tiene una red mal diseñada en una subestación en operación? Se  deberá  construir otra considerando la no existencia de la anterior. Y la práctica sugiere unir con cables las dos mallas donde el cálculo lo requiera.

9.7. Las subestaciones en azoteas, ¿requieren o no red de tierras? Para aterrizarlas se emplea el procedimiento de tierra remota,  y en donde se instalen los electrodos sí se tiene que considerar el potencial de paso y de contacto. Pero, en la azotea no.

9.8. ¿Se usa por motivos estéticos el tezontle o grava en subestaciones? De  ninguna manera. El uso de piedra de alta resistividad y con gran  distancia de contacto, en la capa superior de una subestación permite mallas menos costosas y, resuelve el problema de un potencial de paso o contacto muy elevado. El  asfalto también es un material de alta resistividad y se  usa alternativamente  pero, cuidado, la capa debe ser  profunda  para que sea efectiva - Referencia: ANSI/IEEE Std 80-1986 - [9.3].

9.9. ¿En caso de obtenerse en subestaciones interiores un potencial de paso o contacto muy elevado?

Se recomienda una película de plástico entre la malla de tierras y la losa de concreto, para bajar dicho potencial. - Referencia: IEEE Std 80-2000 -  [9.3].

9.10.  ¿Con qué valor de X/R se realiza el cálculo de corto circuito, si  la   compañía suministradora no lo proporciona?

Emplear X/R = 209.11.  Si una planta industrial tiene una malla que une  todos  los edificios y estructuras, ¿se puede tener otra malla independiente dentro de la  primera?

Sí,  siempre  que esa malla tenga sus propios  electrodos  y,  se tenga una separación considerable entre ellas.

9.12.  ¿Qué se hace, en el caso de tener potencial de transferencia por la  pantalla de un cable?

Se  usa multiaterrizar la pantalla del cable, porque la pantalla no fue diseñada para conducir corriente de falla -

9.13. ¿Qué corriente de malla tomo para un sistema de tierra de un frigorífico local, cuya resolución calculo muy costosa por lo elevado de la corriente de cortocircuito del sistema de BT, 28600 A?

Las mallas de tierra se calculan de acuerdo con la corriente probable de malla que pueda circular por ellas. Y, esta corriente por el suelo, se presenta cuando no existe un retorno franco por un conductor metálico. Tal es el caso de fallas en las líneas aéreas en sistemas trifásicos 3 hilos, las cuales son muy escasamente utilizadas en baja tensión. La capacidad de cortocircuito mencionada es muy elevada si es la corriente máxima que puede circular por la malla. Si ese es el caso, se puede dar la vuelta al problema, cambiando el tipo de canalización, para que en una falla probable, la corriente de falla circule por conductor de puesta a tierra.

9.14. Y, ¿cuándo existen corrientes circulantes entre mallas? Eso  significa  que se violó el principio de darle salida a la corriente de falla por transformador. - Ref: ANSI/IEEE  Std  80-2000.-- [9.3].

12. MEDICIONES DE RESISTENCIA A TIERRA PARA MANTENIMIENTO 

12.1.  ¿Es  necesario  al medir la resistencia de  los  electrodos  a tierra que los tres puntos se encuentren en línea recta?

Es necesario que los puntos se encuentren separados varias  veces la longitud del electrodo para que la gráfica muestre el aplastamiento en la "S", pero si el local tiene problemas para colocar los electrodos en linea recta, se pueden efectuar mediciones  con los electrodos en "L" ( a 90 grados) y las lecturas obtenidas son muy cercanas a las reales, aunque un poco menores.

12.2.  ¿Cómo se puede medir la resistencia a tierra de una malla  muy grande (refinerías, plantas generadoras, etc.)?

En la práctica, mediante la unión de varias gráficas resultantes del método de tres puntos. Todas ellas deben intersectarse en  un valor cercano a la resistencia buscada.

En la práctica, mediante la unión de varias gráficas resultantes del método de tres puntos. Todas ellas deben intersectarse en  un valor cercano a la resistencia buscada.

SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA - TEORÍA, DISEÑO, MEDICIÓN y MANTENIMIENTO -

15. Referencias

Índice

0. GENERALIDADES. 

[0.1] Miguel de la Vega Ortega. "Problemas de Ingeniería de Puesta a Tierra". LIMUSA 1999.  [0.2] Toledano Gasca, José y Martínez Requena, Juan. “Puesta a tierra en edificios y en instalaciones eléctricas". Paraninfo 1997 [0.3] Burgsdorf V. V. y Yakobs A. I. "Grounding in Electrical Installations". Energoatomizdat. Moscú 1987.

1. PUESTA A TIERRA DE SISTEMAS Y EQUIPOS ELÉCTRICOS. 

[1.1] "IEEE  Std 142 Grounding of Industrial  and Commercial Power Systems". Green Book.

[1.2] "IEEE Std 141 Electric Power Distribution for Industrial Plants". Red Book. 

[1.3] "NOM-SEDE-001-2005 Instalaciones Eléctricas (utilización)". Diario  Oficial de la Federación 13 Marzo 2006. 

[1.4] "National Electrical Code. ANSI/NFPA 70" National Fire   Protection Association, Batterymarch Park, Quincy MA 12269

[1.5] "McGraw-Hill's  National  Electrical  Code  Handbook 1993". McGraw-Hill. New York NY.

[1.6] T. Croft, "American Electricians' Handbook", 12th Edition  W. I. Summers. McGraw-Hill. New York, NY.   [1.7] "NOM-STPS-022-1999 Electricidad Estática en los Centros de Trabajo. Condiciones de Seguridad e Higiene". Diario  Oficial de la Federación 28 Mayo 1999.

3. SISTEMAS DE TIERRA DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS.

[3.1]  "IEEE Std 518 - IEEE Guide for the Installation of  Electrical Equipment to Minimize Electrical Noise Inputs to  Controllers from External Sources", IEEE, ISBN 0-471-89539-5 

[3.2]  Ralph Morrison  & Warren Lewis, "Grounding and Shielding In Facilities",  Wiley-Interscience, ISBN 0-471-83807-1 

[3.3]  Henry Ott, "Noise Reduction Techniques in Electronic  Systems", 2nd. Ed,  Wiley-Interscience 

[3.4]  Ralph Morrison, "Grounding and Shielding Techniques  in Instrumentation",  Wiley-Interscience 

[3.5]  Sten Benda, Chartwell Bratt, "Interference-free Electronics, Design  and  Application", London ISBN 0-86238-255-6 

[3.6]  Hugh W. Denny "Grounding for the Control of EMI", Don White Consultants, Inc. Gainsville, VA, 1983, ISBN 0-82-063066

[3.7] Michel Mardiguian, "Grounding and Bonding, Vol. 2",  Interference Control  Technologies,  Inc. Gainsville, VA., ISBN 0-944916-02-3 

[3.8]  "IEEE Std. 1100-2005 - IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment", IEEE Emerald Book   [3.9]  L. Shulman, "Electromagnetic Interference and Grounding Consideration  in Distributed Control Systems". IEEE Industrial Applications Society Newsletter, May/June 1986.  [3.10]  Guidelines for Grounding Information Technology Equipment (ITE) - Information Technology Industry Council

[3.11]  FIPS PUB 64 Guideline on Electrical Power for ADP Installations  - US National Bureau of Standards [3.12]  TIA/ANSI-J-STD-607-A-2002  - Commercial Building Grounding (Earthing) and Bonding Requirements For Telecommunications. [3.13]  Electrical Construction & Maintenance.   http://www.ecmweb.com 

4. PUESTA A TIERRA DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN

[4.1] E. S. Thomas, R. A. Barber, J. B. Dagenhart & A. L. Clapp "Distribution Grounding Fundamentals". IEEE Rural Electric Power Conference, 2004

5. SISTEMAS DE TIERRA DE PROTECCIÓN ATMOSFÉRICA 

[5.1] "Lightning Protection Code. ANSI/NFPA 780". National Fire   Protection Association, Batterymarch Park, Quincy MA 12269

[5.2] R. T. Hasbrouck, "Lightning - Understanding It and Protecting Systems from  Its Effects", UCRL-53925 Lawrence Livermore  National Laboratory, April 1989.

[5.3]  M. O. Durham  and R. Strattan. Stillwater, "Harmonics  on  AC Power Systems. Frontiers of Power". Oklahoma  State  University, Oct. 1990.

[5.4]  Marcus  O. Durham and R. A. Durham, "Lightning,  Grounding and Protection  for Control Systems". IEEE Transactions on  Industry Applications Jan 1995.

[5.5] M. O. Durham. "Submersible power supply considerations" Electric Submersible  Pump Workshop. Society of Petroleum  Engineers. Houston TX, April 1986.

[5.6]  F. Schwab. Bull, "Berechnung der Schutzwirkung von Blitzableitern und Turmen".  Schweiz Elektrotech, vol 56 1965.

[5.7] R. B. Bent. "Lightning and the hazards it produces for explosive facilities"  ACS Symp. Series No. 96. 1979. p 81.

[5.8] R. Verma. "Fundamental Considerations and Impulse Impedance of Grounding Grids" IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. 3 March 1981 p. 1023.

[5.9] "Ground Systems Design Considerations for Vessels". IEEE Industry Applications Magazine. Nov-Dec 2001 41-49.

[5.10] T. Udo. "Contents of Large Current Flashes among all the lightnings measured on transmission lines".  IEEE Transactions on Power Delivery, Oct 1998. 1432-1436.

[5.11] L. G. Byerley et al. "Towers, Lightning and Human Affairs".  11th International Conference on Atmospheric Electricity, June 7-11, Guntersville, AL, 1999.

[5.12] Martin A. Uma. "Natural and Artificially-Initiated Lightning and Lightning Test Standards".  Proceedings of IEEE, Vol. 76, No. 12, Diciembre 1988. Págs. 1548-1565.

[5.13] R. H. Golde,  "The Frequency of Ocurrence and the Distribution of Lightning Flashes to transmission lines"   AIEE Trans., 1945. Vol 64, págs. 902-910.

[5.14] R. H. Golde, , "Protection of Structures Against Lightning" Proceedings of the Institute of Electrical Engineers, Vol. 115, No. 10, pp. 1523-1529, 1968. 

[5.15] A. J. Eriksson, "The Incidence of Lightning Strikes to Power lines" IEEE Transactions on Power Delivery Vol PWRD-2, 1987.

[5.16]  John P. Nelson, "Power Systems in Close Proximity to Pipelines". IEEE Transactions on  Industry Applications págs. 435-441 May/June 1986

[5.17] D. E. Parrish.  "Distribution Lightning Protection - Past, Present, Future". IEEE Transactions on  Industry Applications págs. 183-187 March/April 1982.  [5.18] L. M. Tolbert, Lynn J. Degenhardt, and Jeff T. Cleveland.  "Reliability of Lightning-Resistant Overhead Lines". IEEE Industry Applications Magazine págs. 17-21 Jul/Aug 1997.

[5.19] Lightning Protection Guide - Dehn

[5.20] Lightning Protection - MIL-HDBK-1004 / 6 (1979)

7. MEDICIONES DE RESISTIVIDAD PARA DISEÑO 

[7.1] "Getting Down to Earth..." Megger.com . 2005.

[7.2] "IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System", ANSI/IEEE Standard 81, 1983.

[7.3]  K. M. Michaels. "Earth Ground Resistance Testing for Low-Voltage  Power  Systems".  IEEE Transactions on Industry  Applications Jan/Feb 95.

[7.4]  Dr. G. Tagg. "Measurement of the Resistance of Large Earth Electrode  Systems by the Slope Method".  IEE Proceedings, Vol  117, Nov 1970.  

8. MATERIALES

[8.1] W. R.  Jones. "Bentonite  Rods Assure Ground Rods Installation  in  Problem Soils". IEEE Transactions on  Power  Apparatus  and Systems Jul/Aug 1980.

[8.2] P. W.  Rowland. "Industrial System Grounding for Power, Static, Lightning, and Instrumentation,  Practical  Applications." IEEE Transactions on Industry Applications Nov/Dec 1995.

[8.3] H. B.  Dwight. "Calculation  of Resistances to Ground." AIEE Transactions vol 55. Dic 1936. págs. 1319-1328.

[8.4] Herb G. Ufer, "Investigation and testing of footing-type grounding electrodes for electrical installations."  IEEE Trans. Power App. Syst., Vol. PAS-83, págs. 1042-1048, Oct. 1964. 

[8.5] "Effects of Electrical Grounding on Pipe Integrity and Shock Hazard". American Water Works Association,  JOURNAL AWWA  July 1998. Vol. 90, No. 7. págs. 40 – 52

[8.6] Quingo Meng et al. "A New Method to decrease ground resistances of substation grounding systems in high resistivity regions".    IEEE Transactions on Power Delivery vol 14, No. 3. Jul 1999. págs. 911-916.  

9. DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRA 

[9.1] "Electrical Transmission & Distribution Reference Book".  Westinghouse 1955.

[9.2]  Ing. Rodolfo Lorenzo Bautista "Sistemas  de  Tierra en  Subestaciones  Eléctricas".   1994.

[9.3] "IEEE Std 80-2000 Guide for Safety in AC Substation Grounding."

[9.4] Wagner y R. D. Evans, "Symmetrical Components" C.F.  New York; McGraw-Hill, 1933.

[9.5] L. Hung,  X. Chen. "Study of unequally spaced grounding Grids."  IEEE Transactions on Power Delivery. Vol 10, No. 2 pp 716-722. April 1995.

10. EJEMPLOS RESUELTOS DE SISTEMAS DE TIERRA 

[10.1]  En  Internet  se  discuten casos  en  el  grupo  misc.utilities.electrical 

[10.2] S. J. Schwarz, "Resistance of Grounding Systems."  Trans. AIEE Vol 73, 1954, págs. 1010-1016  

12. MEDICIONES DE TIERRAS PARA MANTENIMIENTO

[12.1] A. Eleck, "Providing the Adequacy of Station Grounds" IEEE Trans. Comm. and Electronics Nov. 1962. págs. 368-376.

[12.2] Sobral, S.T. y otros. "Grounding Measurements at the Itapu Generating Complex using the Extended Eleck Method".  IEEE Trans. on Power Delivery Vol. 3 No. 4 Oct 1988 págs. 1553-1572

[12.3] Ing. Ramón Rivero. "Puesta a tierra de sistemas de potencia y mediciones de campo de sus parámetros". Instituto Tecnológico de Cd. Madero, Tams. 2001.

[12.4] "Getting Down to Earth..." Biddle Instruments. 1982.

[12.5] "IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System", ANSI/IEEE Standard 81, 1983.

[12.6]  M. Michaels. "Earth Ground Resistance Testing for Low-Voltage  Power  Systems".  IEEE Transactions on Industry  Applications Jan/Feb 95.

[12.7]  Dr. G. F. Tagg. "Measurement of the Resistance of Large Earth Electrode  Systems by the Slope Method."  IEE Proceedings, Vol  117, No. 11 Nov 1970.

[12.8]  Cheng-Gang Wang et al. "Grounding Resistance Measurement Using Fall-of-Potential Method with Potential Probe Located in Opposite Direction to the Current Probe".  IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, No. 4, Oct 1998. 1128-1135 

14. EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

[14.1] C. F. Dalziel and W. R. Lee. "Re-evaluation of lethal electric currents",   IEEE Trans. Ind. Gen. Appl., vol IGA-4 págs. 467-476. Sep-Oct 1968. 15. EXPERTOS EN LA MATERIA Richard Keil Dayton Power & Light P. O. Box 1807 Dayton, OH 45401 T: (937) 331-4675; F: (937) 227-2673 richard.keil@dlpinc.com * Sistemas de Tierras de Subestaciones

A. P. (Sakis) Meliopoulos  Georgia Institute of Technology 1886 Fisher Trail NE Atlanta, GA 30345-3466 T: (404) 894-2926; F: (404) 894-4641 sakis.meliopoulos@ece.gatech.edu * Puesta a Tierra de Sistemas de Potencia

Dr. Víctor Manuel Cabrera M. Torreón, Coah. * Protección de Líneas de Transmisión

Ing. Jesús Anselmo Estrada México, D.F. janselmoe@prodigy.net.mx * Sistemas Hospitalarios