COLEGIO DE INGENIEROS MECANICOS Y ELECTRICISTAS, A.C.

COMITÉ NACIONAL PERMANENTE DE PERITOS EN TELECOMUNICACIONES

SISTEMAS DE TIERRA FISICA

M. en I. Rodolfo Lorenzo Bautista

24 de Septiembre de 2009

IntroducciónIntroducción

En el diseño y proyecto de las instalaciones destinadas al suministro o utilización de la En el diseño y proyecto de las instalaciones destinadas al suministro o utilización de la energía eléctrica, una de las mayores preocupaciones de los ingenieros de diseño ha energía eléctrica, una de las mayores preocupaciones de los ingenieros de diseño ha sido como conectar a tierra los equipos eléctricos de una manera segura y apropiada.sido como conectar a tierra los equipos eléctricos de una manera segura y apropiada.

El problema existe en todos los campos de la Ingeniería eléctrica, desde las bajas El problema existe en todos los campos de la Ingeniería eléctrica, desde las bajas corrientes a tierra de los equipos electrónicos, hasta las altas corrientes a tierra de las corrientes a tierra de los equipos electrónicos, hasta las altas corrientes a tierra de las grandes subestaciones en extra alta tensión.grandes subestaciones en extra alta tensión.

Todos los objetos metálicos que encierren conductores eléctricos o que probablemente Todos los objetos metálicos que encierren conductores eléctricos o que probablemente queden energizados por corrientes eléctricas originadas por fallas del sistema eléctrico, queden energizados por corrientes eléctricas originadas por fallas del sistema eléctrico, descargas electrostáticas o por descargas atmosféricas, deben quedar firmemente descargas electrostáticas o por descargas atmosféricas, deben quedar firmemente conectados a tierra para garantizar la seguridad del personal, reducir la probabilidad de conectados a tierra para garantizar la seguridad del personal, reducir la probabilidad de incendios y asegurar la protección de los equipos para lograr su funcionamiento normal.incendios y asegurar la protección de los equipos para lograr su funcionamiento normal.

Si los objetos están firmemente conectados a tierra, se facilitará la operación de los Si los objetos están firmemente conectados a tierra, se facilitará la operación de los dispositivos de sobrecorriente de falla a tierra y se permitirá que las corrientes de retorno dispositivos de sobrecorriente de falla a tierra y se permitirá que las corrientes de retorno provenientes de filtros de interferencia electromagnética y supresores de sobretensiones provenientes de filtros de interferencia electromagnética y supresores de sobretensiones conectados entre línea y tierra o entre línea y chasis, fluyan de manera adecuada.conectados entre línea y tierra o entre línea y chasis, fluyan de manera adecuada.

Funciones principales de los sistemas de tierraFunciones principales de los sistemas de tierra

1. Proveer un medio seguro para proteger al personal en la proximidad de 1. Proveer un medio seguro para proteger al personal en la proximidad de sistemas o equipos conectados a tierra, de los peligros de una descarga sistemas o equipos conectados a tierra, de los peligros de una descarga eléctrica bajo condiciones de falla.eléctrica bajo condiciones de falla.

2. Proveer un medio para disipar las corrientes eléctricas a tierra, sin que se 2. Proveer un medio para disipar las corrientes eléctricas a tierra, sin que se excedan los límites de operación de los equipos.excedan los límites de operación de los equipos.

3. Proporcionar una conexión a tierra para el punto neutro de los equipos que 3. Proporcionar una conexión a tierra para el punto neutro de los equipos que así lo requieran (generadores, transformadores, reactores, etc.).así lo requieran (generadores, transformadores, reactores, etc.).

4. Proporcionar un medio de descarga y desenergización de equipos antes de 4. Proporcionar un medio de descarga y desenergización de equipos antes de proceder a tareas de mantenimiento.proceder a tareas de mantenimiento.

5. Facilitar mediante la operación de relevadores y otros dispositivos de 5. Facilitar mediante la operación de relevadores y otros dispositivos de protección, la eliminación de fallas a tierra en el sistema.protección, la eliminación de fallas a tierra en el sistema.

Componentes básicos de una red de tierrasComponentes básicos de una red de tierras

Elementos de la red de tierras:Elementos de la red de tierras:

- Conductores- Conductores-- Varillas o electrodos de tierra Varillas o electrodos de tierra- Conectores o juntas- Conectores o juntas

Conductores.Conductores.Los conductores empleados en los sistemas de tierra son generalmente Los conductores empleados en los sistemas de tierra son generalmente cables concéntricos que interconectados forman la red de tierras. Su cables concéntricos que interconectados forman la red de tierras. Su función también es conectar a tierra los equipos eléctricos del sistema. función también es conectar a tierra los equipos eléctricos del sistema.

Materiales.Materiales. CobreCobre Cobre estañadoCobre estañado CopperweldCopperweld Acero inoxidableAcero inoxidable Acero galvanizadoAcero galvanizado AluminioAluminio

Componentes básicos de una red de tierrasComponentes básicos de una red de tierras

Varillas o electrodos de tierra.Varillas o electrodos de tierra.

Estos elementos se introducen en el terreno con el objeto de alcanzar zonas másEstos elementos se introducen en el terreno con el objeto de alcanzar zonas máshúmedas en el subsuelo y por lo tanto con valores de resistividad eléctrica menores.húmedas en el subsuelo y por lo tanto con valores de resistividad eléctrica menores.

Materiales:Materiales:CopperweldCopperweldAcero inoxidableAcero inoxidableAcero galvanizadoAcero galvanizadoAluminioAluminio

La selección del material de las varillas o electrodos dependerá de las características de La selección del material de las varillas o electrodos dependerá de las características de corrosión que presentan al estar enterrados.corrosión que presentan al estar enterrados.

El copperweld es el material mas empleado en las varillas de tierra, ya que combina lasEl copperweld es el material mas empleado en las varillas de tierra, ya que combina lasventajas del cobre con la alta resistencia mecánica del acero, tiene buena conductividad,ventajas del cobre con la alta resistencia mecánica del acero, tiene buena conductividad,resistencia a la corrosión y resistencia mecánica para ser clavada en el terreno.resistencia a la corrosión y resistencia mecánica para ser clavada en el terreno.

El diámetro y longitud de las varillas se determinará por su resistencia mecánica y porEl diámetro y longitud de las varillas se determinará por su resistencia mecánica y porel valor de resistencia eléctrica que presentan al estar enterradas.el valor de resistencia eléctrica que presentan al estar enterradas.

Componentes básicos de una red de tierrasComponentes básicos de una red de tierras

Conectores o juntas.Conectores o juntas.

Son los elementos que además de unir entre si a los conductores que Son los elementos que además de unir entre si a los conductores que forman la red de tierras, conectan las varillas y electrodos de tierra y los forman la red de tierras, conectan las varillas y electrodos de tierra y los conductores de puesta a tierra de los equipos a dicha red.conductores de puesta a tierra de los equipos a dicha red.

Tipos.Tipos. - - Conectores a presiónConectores a presión

Conectores atornillablesConectores atornillablesConectores de compresiónConectores de compresión

- - Conectores soldablesConectores soldables

Son aquellos que mediante una reacción química exotérmica, elSon aquellos que mediante una reacción química exotérmica, elconductor y el conector forman una sola conexión molecular.conductor y el conector forman una sola conexión molecular.Por su naturaleza, este tipo de conectores soportan la temperatura Por su naturaleza, este tipo de conectores soportan la temperatura

de de fusión del conductor.fusión del conductor.

Características de los elementos de una red de tierrasCaracterísticas de los elementos de una red de tierras

Cada elemento de la red de tierras deberá tener las siguientes características:Cada elemento de la red de tierras deberá tener las siguientes características:

a) a) Resistencia a la corrosión.Resistencia a la corrosión. Para retardar su deterioro en el ambiente Para retardar su deterioro en el ambiente donde se instalendonde se instalen

b) b) Conductividad eléctrica.Conductividad eléctrica. De tal manera que sustancialmente no contribuya De tal manera que sustancialmente no contribuya con diferencias de potencial en la redcon diferencias de potencial en la red

c) c) Capacidad de conducción de corriente.Capacidad de conducción de corriente. Suficiente para soportar los Suficiente para soportar los esfuerzos térmicos durante las condiciones mas adversas impuestas por laesfuerzos térmicos durante las condiciones mas adversas impuestas por la magnitud y duración de las corrientes de fallamagnitud y duración de las corrientes de falla

d) d) Resistencia mecánica.Resistencia mecánica. De tal manera que soporte los esfuerzos De tal manera que soporte los esfuerzos electromecánicos y el daño físico.electromecánicos y el daño físico.

Disposiciones básicas de las redes de tierrasDisposiciones básicas de las redes de tierras

Sistema radial.Sistema radial.

Este sistema es el más simple para la Este sistema es el más simple para la conexión a tierra de los equipos.conexión a tierra de los equipos.Consiste en instalar uno o varios Consiste en instalar uno o varios electrodos de tierra a los cuales se electrodos de tierra a los cuales se conectan los conductores derivados conectan los conductores derivados de cada uno de los equipos.de cada uno de los equipos.

Subestaciòn

Disposiciones básicas de las redes de tierrasDisposiciones básicas de las redes de tierras

Sistema en anillo.Sistema en anillo.

El sistema en anillo se obtiene colocando El sistema en anillo se obtiene colocando en forma de anillo un conductor de un en forma de anillo un conductor de un calibre determinado alrededor de la calibre determinado alrededor de la superficie ocupada por los equipos.superficie ocupada por los equipos.

A este anillo se conectan las derivaciones A este anillo se conectan las derivaciones para la conexión a tierra de cada uno de para la conexión a tierra de cada uno de los equipos usando un conductor de los equipos usando un conductor de calibre más delgado.calibre más delgado.En los vértices del anillo se instalan En los vértices del anillo se instalan varillas o electrodos de tierra.varillas o electrodos de tierra.

Disposiciones básicas de las redes de tierrasDisposiciones básicas de las redes de tierras

Sistema de malla.Sistema de malla.

El sistema de malla consiste, como su El sistema de malla consiste, como su nombre lo indica, en un arreglo de nombre lo indica, en un arreglo de conductores perpendiculares e conductores perpendiculares e interconectados formando una malla o interconectados formando una malla o retícula a la cual se conectan lasretícula a la cual se conectan lasderivaciones de conexión a tierra de derivaciones de conexión a tierra de cada uno de los equipos.cada uno de los equipos.En las esquinas, en el perímetro, o por En las esquinas, en el perímetro, o por toda la malla, se instalan varillas o toda la malla, se instalan varillas o electrodos de tierra.electrodos de tierra.

Este sistema se emplea generalmente en Este sistema se emplea generalmente en subestaciones de potencia.subestaciones de potencia.

Resistencia a tierra de una varillaResistencia a tierra de una varilla

En un suelo uniforme de resistividad , la resistencia a tierra de una varilla de En un suelo uniforme de resistividad , la resistencia a tierra de una varilla de

diámetro diámetro dd, enterrada una longitud , enterrada una longitud LL, esta dada por la ecuación:, esta dada por la ecuación:

Donde:Donde:

RR = Resistencia a tierra de la varilla, en Ohms = Resistencia a tierra de la varilla, en Ohms

= Resistividad del terreno, en Ohms-metro= Resistividad del terreno, en Ohms-metro

L L = Longitud de la varilla, en metros = Longitud de la varilla, en metros

dd = Diámetro de la varilla, en metros = Diámetro de la varilla, en metros

Referencia: IEEE Std 142-2007. Recommended Practice for Grounding of Referencia: IEEE Std 142-2007. Recommended Practice for Grounding of

Industrial and Commercial Power Systems.Industrial and Commercial Power Systems.

dL

LnL

R943.2

2

Resistencia a tierra de un grupo de varillasResistencia a tierra de un grupo de varillas

Cuando se conectan en paralelo varias varillas de tierra, el valor de resistencia Cuando se conectan en paralelo varias varillas de tierra, el valor de resistencia

a tierra que presenta el conjunto es menor que el valor de resistencia a tierra a tierra que presenta el conjunto es menor que el valor de resistencia a tierra

que presenta una sola varilla.que presenta una sola varilla.

Si se conecta a una varilla existente otra varilla en paralelo, el valor de Si se conecta a una varilla existente otra varilla en paralelo, el valor de

resistencia a tierra de las dos no es la mitad del valor que tenga una de ellas, a resistencia a tierra de las dos no es la mitad del valor que tenga una de ellas, a

menos que se encuentren separadas una distancia igual a varias veces la menos que se encuentren separadas una distancia igual a varias veces la

longitud de una varilla.longitud de una varilla.

Una regla práctica es que en los grupos formados por 2 y hasta 24 varillas, Una regla práctica es que en los grupos formados por 2 y hasta 24 varillas,

éstas queden ubicadas en línea recta, formando un triángulo o un cuadrado o éstas queden ubicadas en línea recta, formando un triángulo o un cuadrado o

que se ubiquen sobre el perímetro de un circulo y separadas entre si una que se ubiquen sobre el perímetro de un circulo y separadas entre si una

distancia igual a la longitud de la varilla.distancia igual a la longitud de la varilla.

Resistencia a tierra de un grupo de varillasResistencia a tierra de un grupo de varillas

El valor de la resistencia a tierra de un grupo de varillas esta dada por laEl valor de la resistencia a tierra de un grupo de varillas esta dada por laecuación:ecuación:

Donde:Donde:

= Resistencia a tierra del grupo de varillas, en Ohms= Resistencia a tierra del grupo de varillas, en Ohms R = Resistencia a tierra de una sola varilla, en OhmsR = Resistencia a tierra de una sola varilla, en Ohms n = Número de varillas en el grupon = Número de varillas en el grupo F = Factor dado por las normas (ver tabla)F = Factor dado por las normas (ver tabla)

Referencia: IEEE Std 142-2007. Recommended Practice for Grounding of Referencia: IEEE Std 142-2007. Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power SystemsIndustrial and Commercial Power Systems

FnR

Rg

gR

Resistencia a tierra de un grupo de varillasResistencia a tierra de un grupo de varillas

Se muestran en la siguiente tabla los valores del factor F de acuerdo con el Se muestran en la siguiente tabla los valores del factor F de acuerdo con el numero de varillas en el grupo.numero de varillas en el grupo.

Referencia: IEEE Std 142-2007. Recommended Practice for Grounding of Referencia: IEEE Std 142-2007. Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power SystemsIndustrial and Commercial Power Systems

Nº de varillasNº de varillas FF

22 1.161.16

33 1.291.29

44 1.361.36

88 1.681.68

1212 1.801.80

1616 1.921.92

2020 2.002.00

2424 2.162.16

Puesta a tierra de los sistemas eléctricos y electrónicosPuesta a tierra de los sistemas eléctricos y electrónicos

Equipos eléctricos en baja tensión.Equipos eléctricos en baja tensión.La puesta a tierra de los equipos eléctricos en baja tensiónLa puesta a tierra de los equipos eléctricos en baja tensión se realiza mediante un se realiza mediante un sistema en anillosistema en anillo. . A este anillo se conectan las barras de tierra de tableros de distribución en BT, gabinetes de equipo A este anillo se conectan las barras de tierra de tableros de distribución en BT, gabinetes de equipo eléctrico, tableros de alumbrado, etc. eléctrico, tableros de alumbrado, etc. La puesta a tierra de los equipos eléctricos alimentados por estos elementos se realiza mediante La puesta a tierra de los equipos eléctricos alimentados por estos elementos se realiza mediante conductores aislados o desnudos que se conectan a dichas barras o directamente al sistema en conductores aislados o desnudos que se conectan a dichas barras o directamente al sistema en

anillo anillo localizado en el área.localizado en el área.Debe existir siempre una interconexión entre la red de tierras de los equipos eléctricos y la Debe existir siempre una interconexión entre la red de tierras de los equipos eléctricos y la

red red de tierras de los sistemas electrónicos.de tierras de los sistemas electrónicos.

La puesta a tierra de los equipos eléctricos deberá cumplir con los requerimientos de los artículos La puesta a tierra de los equipos eléctricos deberá cumplir con los requerimientos de los artículos 250 250

y 710-7 de la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005.y 710-7 de la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005.

Equipos y sistemas electrónicos.Equipos y sistemas electrónicos. La puesta a tierra de estos equipos puede hacerse con un La puesta a tierra de estos equipos puede hacerse con un sistema radialsistema radial o un o un sistema en anillo.sistema en anillo.La función principal de la red de tierra para los equipos y sistemas electrónicos es proporcionar un La función principal de la red de tierra para los equipos y sistemas electrónicos es proporcionar un valor de referencia cero para dichos equipos. Este valor de referencia se obtiene cuando el valor de valor de referencia cero para dichos equipos. Este valor de referencia se obtiene cuando el valor de resistencia a tierra de la red es cercano a cero.resistencia a tierra de la red es cercano a cero.Dependiendo de los valores de resistividad del terreno, el sistema radial puede estar formado por Dependiendo de los valores de resistividad del terreno, el sistema radial puede estar formado por

una una sola varilla de tierra o por un grupo de varillas interconectadas.sola varilla de tierra o por un grupo de varillas interconectadas.

Sistemas de tierra – Detalles de instalación

Puesta a tierra de los sistemas electrónicosPuesta a tierra de los sistemas electrónicos

Esta red de tierras se conecta mediante un cable aislado a una barra de cobre soportada sobre Esta red de tierras se conecta mediante un cable aislado a una barra de cobre soportada sobre aisladores que se instala en el cuarto donde se ubican los equipos y sistemas. A la barra se le aisladores que se instala en el cuarto donde se ubican los equipos y sistemas. A la barra se le denomina denomina barra de tierra aislada barra de tierra aislada y al sistema se le denomina y al sistema se le denomina sistema de tierra aisladasistema de tierra aislada..

A esta barra se conectan los cables aislados (IG) de la referencia de tierra de los equipos, como se A esta barra se conectan los cables aislados (IG) de la referencia de tierra de los equipos, como se muestra en las figuras 1 y 2.muestra en las figuras 1 y 2.

La La malla de referencia de señales malla de referencia de señales es un complemento de la red de tierras electrónica y su principal es un complemento de la red de tierras electrónica y su principal función es evitar la interferencia hacia y desde el área de ubicación de los equipos y sistemas función es evitar la interferencia hacia y desde el área de ubicación de los equipos y sistemas electrónicos. Puede emplearse la estructura metálica del piso falso como malla de referencia deelectrónicos. Puede emplearse la estructura metálica del piso falso como malla de referencia deseñales o puede fabricarse la malla con cintas de cobre, como se muestra en las figuras 3 y 4. señales o puede fabricarse la malla con cintas de cobre, como se muestra en las figuras 3 y 4.

Equipos y sistemas electrónicos – Puesta a tierra

FIGURA 1. EL CONDUCTOR DE TIERRA (AISLADO) PASA A TRAVES DEL TABLERO DE DISTRIBUCIÓN

Equipos y sistemas electrónicos – Puesta a tierra

Figura 2. METODO DE ALAMBRADO DEL CONDUCTOR DE TIERRA (AISLADO) CON FUENTE DERIVADA SEPARADA

Equipos y sistemas electrónicos – Puesta a tierra

Figura 3. ESTRUCTURA DEL PISO FALSO EMPLEADA COMO MALLA DEREFERENCIA DE SEÑALES

Equipos y sistemas electrónicos – Puesta a tierra

Figura 4. MALLA DE REFERENCIA DE SEÑALES FABRICADA CON CINTAS DE COBRE

BibliografíaBibliografía

- Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005- Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005

Instalaciones Eléctricas (utilización)Instalaciones Eléctricas (utilización)

- NFPA 70- NFPA 70

National Electrical Code 2008National Electrical Code 2008

- ANSI / IEEE Std 142 – 2007- ANSI / IEEE Std 142 – 2007

IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power

SystemsSystems

- IEEE Std 1100 - 2005- IEEE Std 1100 - 2005

IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment