Un buen sistema de puesta a tierra es necesario para mantener buenos niveles de seguridad del personal, operación de los equipos y desempeño de los mismos. En sistemas de potencia la puesta a tierra mantiene la referencia necesaria. La forma en que el sistema se conecta a tierra puede tener un gran efecto en la magnitud de los voltajes de línea a tierra que deben ser mantenidos en condiciones normales y bajo condiciones transitorias. En sistemas no puestos a tierra, algunas tensiones pueden provocar fallas en el aislamiento de los equipos y sistemas. La puesta a tierra del neutro del sistema permite la operación de sistemas de protección basados en la detección de corrientes que circulan por la misma, despejándose así el circuito bajo falla. La puesta a tierra de los equipos se refiere a la conexión intencional de las carcasas, bastidores o estructuras metálicas no portadores o transmisores de corriente de los mismos, para lograr los siguientes propósitos:

Mantener una diferencia de voltaje baja entre las diferentes estructuras metálicas con lo que se busca resguardar al personal de cualquier choque eléctrico. En el momento de una falla de un elemento energizado a un bastidor, por ejemplo, el voltaje de dicho bastidor tiende a igualarse al del conductor energizado, si el primero no está debidamente conectado a tierra; constituyendo un serio peligro para el personal del área. Por supuesto, esto debe combinarse con buenos relés de protección de falla a tierra. Contribuir a un mejor desempeño de los sistemas de protección. Evitar incendios provocados por materiales volátiles o la combustión de gases al proveer un camino efectivo y seguro para las circulación de corrientes de falla y descargas atmosféricas y estáticas y así eliminar los arcos y elevadas temperaturas en los equipos eléctricos, que pueden provocar tales incendios.

Buen desempeño de equipos. En los sistemas o redes de computación una buena puesta a tierra no sólo mantiene la seguridad del personal y provee de un camino de baja impedancia para las corrientes de falla, sino que también mantiene el mismo nivel de potencial de tierra en todas las unidades del sistema, si estas están conectadas entre sí a tierra al mismo tiempo. Si se tienen varios sistemas de alimentación en AC, cada uno con su tierra separada se puede producir ruido en el sistema de tierra conectado a las computadoras. En este caso se utiliza una malla de referencia de señales para igualar el voltaje en un mayor rango de frecuencia. Las carcazas de las computadoras se conectarán a esta malla y a la barra de tierra del sistema. La malla se conectará también a la barra de tierra principal. Estas son, entre otras, las razones de la necesidad de un buen sistema de puesta a tierra, así como de su mantenimiento.

Las puestas a tierra de la mayoría de las instalaciones eléctricas cumplen con tres propósitos básicos: Limitan la tensión que, con respecto a tierra, puedan presentar en un momento dado las masas metálicas de la instalación (protección frente a contactos indirectos). Para ello, derivan a tierra las correspondientes corrientes de defecto. Proveen una ruta segura de circulación a tierra de las eventuales descargas atmosféricas, y de las corrientes de fuga de los receptores electrónicos. Ofrecen una tensión nula de referencia para los receptores electrónicos de la propia instalación, así como para las señales de datos que sirven para comunicar los equipos informáticos.

Existen dos tipos de sistemas de puesta a tierra; simples y complejos. Los simples consisten en un electrodo aislado enterrado. Este sistema es el más utilizado y se puede encontrar en sitios residenciales. Los sistemas complejos consisten en un conjunto de electrodos interconectados, mallas, platos de tierra y lazos o anillos de tierra. Estos últimos son instalados normalmente en subestaciones, oficinas centrales y centros de telecomunicaciones. En la Figura se pueden ver algunos ejemplos de estos sistemas de puesta a tierra.

Arreglos o tipos de sistema de puesta a tierra

Método de los cuatro electrodos o método de Wenner

(a) (b)

En las Figuras (a) y (b) se describe gráficamente el método de Wenner. Estos electrodos deben ser colocados en línea recta a una misma distancia entre ellos, a, y a una misma profundidad, b. Las mediciones dependerán de la distancia entre electrodos y del contacto de estos con la tierra. La distancia b no debe exceder un décimo de la distancia a. El método consiste en inyectar una corriente conocida por los electrodos de prueba C1 y C2. Entre los electrodos de prueba P1 y P2 se mide la diferencia de potencial resultante de la inyección de corriente anterior. Con estos datos se puede calcular la resistencia y el valor de la resistividad del terreno, a una profundidad, b, será:

= 2 * A * R si b << a

Como los resultados de la medición son normalmente afectados por materiales metálicos enterrados, se recomienda realizar la medición varias veces cambiando el eje de los electrodos unos 90°. Cambiando la profundidad y distancia de los electrodos se puede tener un valor de resistividad más aproximado al real y con ello un mejor diseño del sistema de puesta a tierra a construir. La medición de la resistividad del suelo es comúnmente distorsionada por la existencia de corrientes de tierra y sus armónicas. Para corregir esto, muchos equipos tienen un sistema de control de frecuencia que permite seleccionar la frecuencia de medición con la menor cantidad de ruido y así obtener una medición clara.

Donde: = Resistividad promedio a la profundidad, b, (Ohm – cm) = constante 3.1416 a = distancia entre los electrodos (cm) R = Resistencia medida por el Megger (Ohm)

Este método es más utilizado para sistemas de puesta a tierra grandes o cuando la posición del centro de la puesta a tierra no es conocido y es inaccesible (por ejemplo; el sistema esta por debajo del suelo de un edificio). También puede ser utilizado cuando el área para colocar los electrodos de prueba está restringida o es inaccesible. También se utiliza cuando otros métodos dan resultados poco razonables y es, en general, más preciso. La forma de conexión del equipo de medición es como en el método de caída de potencial, con la diferencia de que se hace un barrido más completo con el electrodo de potencial, entre el electrodo de puesta a tierra bajo estudio y el electrodo de corriente. Se realiza una medición de resistencia en cada posición del electrodo de potencial y los resultados se grafican (resistencia en función de la distancia del electrodo de potencial). En la Grafica 1 se ilustra un ejemplo a manera de ilustración.

Método de la pendiente

Resistencia en función de la distancia del Electrodo de Potencial medida desde E

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Posición del Elctrodo de Potencial en función de EC

Res

iste

nci

a (o

hm

)

Gráfica 1: Resistencia en función de la distancia del electrodo de potencial medida desde E

En la Gráfica 1 EC es la distancia total, en línea recta, entre el electrodo de puesta a tierra bajo estudio y el electrodo de corriente. Se realizan al menos unas seis medidas. Al observar la gráfica resultante se puede descartar o ignorar cualquier punto considerado absurdo. De la gráfica se puede tomar el valor de resistencia para 0,2EC; 0,4EC y 0,6EC por ejemplo. Estos valores se llamaran R1, R2 y R3 respectivamente y con ello se calcula el coeficiente de la pendiente, µ, como sigue:   µ = (R3-R2) / (R2-R1) Que es una medida del cambio de la pendiente de la curva de resistencia del electrodo de puesta a tierra bajo estudio. Se tienen las tablas de para obtener el valor de Pt / EC para el valor de µ obtenido. Pt es la distancia al electrodo de potencial en la cual la resistencia real sería medida. Simplemente se multiplica el valor Pt / EC de la tabla por la distancia EC para obtener Pt.

De la curva realizada anteriormente se obtiene el valor de resistencia para la distancia Pt obtenida de la tabla y ésta será el valor de resistencia del electrodo de puesta a tierra del sistema bajo estudio. Si el valor de µ obtenido no está en la tabla, el electrodo de corriente se debe colocar más lejos del electrodo de puesta a tierra. Si es necesario, posteriores mediciones se pueden obtener variando la distancia EC o variando la dirección de la línea recta en la que se colocan los electrodos de prueba. De los resultados obtenidos de resistencia para varios valores de EC se puede realizar una gráfica como la Gráfica 2 mostrada a continuación:

En la Gráfica 2 se observa como la resistencia del electrodo bajo prueba decrece a medida que la distancia EC es aumentada. Las distancias de EC escogidas en las pruebas 1 y 2 no fueron lo suficientemente grandes y las escogidas en las pruebas 5 y 6 son preferibles ya que los valores de resistencia obtenidos en ellas varían poco.

Resistencia Obtenida de cada Prueba en función de la distancia EC

0

0,1

0,20,3

0,4

0,5

0,6

0 10 20 30 40 50 60 70

Distancia EC de cada prueba (metros)

Res

iste

ncia

obt

enid

a de

ca

da p

rueb

a (o

hm)

Gráfica 2:Resistencia obtenida de cada prueba en función de la distancia EC

n la Gráfica 2 se observa como la resistencia del electrodo bajo prue

Prueba 1Prueba 2

Prueba 5 Prueba 6

En caso de realizar mediciones en áreas donde se encuentren objetos metálicos enterrados (cabillas, tuberías, etc) se requiere realizar mediciones ortogonales y la interpretación de las gráficas resultantes, para poder eliminar así de la medición la influencia de estos objetos metálicos. La presencia de líneas energizadas de alta tensión en las cercanías del área donde se está llevando a cabo la medición, afecta la calidad de la misma. Para evitar esta interferencia se debe realizar la medición en una dirección perpendicular a la línea de transmisión. Incluso, se pueden lograr resultados satisfactorios abriendo los electrodos de potencial y corriente unos 90°. En caso de que el terreno este muy seco, es recomendable humedecer los electrodos de los extremos especialmente (los de corriente), para disminuir la resistencia del electrodo de tierra.

Recomendaciones

Figura 11: Electrodos de corriente y Potencial a 90° [3]

Algunos fabricantes proponen la utilización de transformadores de corriente en forma de pinzas para realizar mediciones de resistencia mediante métodos parecidos al de caída de potencial. Este método permite medir electrodos individuales en todos los tipos de sistemas de puesta a tierra incluyendo mallas que son comunes en subestaciones, torres de alto voltaje con cableado a tierra e instalaciones comerciales con tierras múltiples. Al medir el flujo de corriente a través de un electrodo usando un transformador de corriente en forma de pinza, los efectos de resistencias paralelas son eliminados del proceso de medición y por tanto no afectan los resultados de la medición. Las reglas para la colocación de los electrodos de prueba son las mismas que las utilizadas en el método de caída de potencial. En la Figura se muestra un dibujo del montaje requerido para aplicar este método.

Método Selectivo con uso de pinza

Figura 16: Método Selectivo [8]

Como se observa, el electrodo bajo prueba no tiene que desconectarse para realizar la medición. El terminal X, C1 o E (dependiendo del fabricante) del equipo se conecta aguas arriba de la pinza, pero aguas abajo de cualquier conexión en paralelo de otro electrodo de puesta a tierra (interconexión de tierra o metal del edificio o estructura). La pinza debe estar sobre el suelo, sin ninguna interconexión aguas abajo de la misma. Al iniciar la medición se obtendrá la medida de resistencia de ese camino individual a tierra. Este es el valor de resistencia del electrodo en estudio en un sistema múltiple de puesta a tierra. De esta forma se puede medir cada electrodo de puesta a tierra sin necesidad de desconectar cada uno de ellos para realizar la medición. Para verificar los resultados y asegurarse de que los electrodos de prueba están fuera de las “esferas de influencia” de los demás electrodos se realiza una nueva medición colocando el electrodo de voltaje, Y, P2 o S (dependiendo del fabricante), un metro hacia el electrodo bajo prueba o el electrodo de corriente. Si el valor de la resistencia permanece constante, las distancias entre los electrodos es suficiente. Si el valor de la resistencia varía considerablemente (30%), la distancia entre los electrodos debe ser aumentada y se repite el proceso hasta que el valor de la resistencia permanece constante al reubicar el electrodo de potencial y repetir la medición. Algunos equipos disponen de un sistema de control automático de frecuencia que selecciona la frecuencia de prueba con la menor cantidad de ruido y evita que las corrientes de tierra y sus armónicos afecten la medición.

Una variante del método selectivo con el uso de pinza amperimétrica. Para ello utiliza el método de la caída de potencial y un equipo de medición de puesta a tierra que disponga de pinza capaz de medir en el rango de los microamperios. Este procedimiento, como se ha mencionado antes, se utilizará cuando la tierra en estudio está en paralelo con otro sistema de puesta a tierra. De estar aislada la puesta a tierra bajo estudio no hace falta utilizar este método; bastaría el método e caída de potencial. En este método se instala el equipo para realizar una medición bajo el método de caída de potencial y se obtiene una primera medición. Después se coloca el amperímetro en dos lugares: 1) Alrededor del cable del circuito de corriente del equipo de medición que va hasta el electrodo bajo estudio y 2) en algún lugar por encima de la tierra bajo estudio y en el cableado que va hacia la fuente (el conductor que viene de la entrada). Este esquema se muestra en la Figura. Así se conoce la corriente total que entra a todo el sistema de puesta a tierra y la porción que pasa por la tierra de la entrada o suministro eléctrico. Posteriormente se toma la lectura de resistencia del equipo. Por ley de ohm se calcula la caída de potencial debido al suelo. La diferencia entre las dos mediciones de corriente representa la corriente que pasa por la puesta a tierra bajo estudio. Con esta corriente y el voltaje calculado se obtiene la resistencia de la puesta a tierra bajo estudio.

Variante del método selectivo con el uso de pinza

Pinzas de tierra con innovaciones sin precedentes

Las C.A 6416 y la C.A 6417 son las nuevas pinzas de tierra IP40 fabricadas por CHAUVIN ARNOUX que ofrecen un control experto de los bucles en una red de tierra en paralelo. La medida de tierra en zona urbana a menudo es difícil ya que no se pueden clavar piquetas de tierra. Las C.A 6416 y la C.A 6417 permiten realizar medidas selectivas en un sistema de tierra en paralelo sin desconectar el conductor y sin clavar piquetas. En casos de una puesta a tierra periódica o de un bucle de fondo de excavación, el uso de las pinzas de tierra para medidas de valores bajos, permite comprobar la continuidad del conductor del bucle testado. Son ideales para diversas aplicaciones, entre las cuales destacamos: · Medida de tierra en paralelo en los postes de instalación MT/BT · Medida de tierra en zona urbana y/o en edificios protegidos contra señales Rf · Medida en las líneas de telecomunicación · Medida en el sector ferroviario · Medida de tierra en tuberías enterradas o visibles

Pinzas de tierra con innovaciones sin precedentes

Compactas, están diseñadas para un uso diario ya que el peso ha podido reducirse notablemente y cuenta con un novedoso sistema de apertura* que exige un esfuerzo mínimo para mantener la pinza en posición abierta, maximizando así, el confort y la optimización durante el uso. Tienen un display de gran calidad basado en la tecnología OLED, el cual ofrece un mejor contraste y más nitidez de visualización. Con un ángulo de visión de 180º, el confort de lectura es idóneo en cualquier circunstancia. Las C.A 6416 y la C.A 6417 son pinzas de tierra muy seguras, 600 V CAT IV. Incluyen además otra innovación: la función Tensión de Contacto*. Si la tensión supera el umbral memorizado, el símbolo de alarma y el umbral de alarma empiezan a parpadear. Si la alarma está habilitada, se emite una señal acústica. El software de análisis de datos DataView® o GTC permiten configurar y calibrar las pinzas además de ajustar parámetros para la medida y personalizar informes. Como otra novedad, también son compatibles con elsistema ANDROID, permitiendo recuperar directamente las medidas en la Tablet o Smartphone, utilizar la geo localización GPS para encontrar instantáneamente la ubicación que corresponde a las medidas y enviar los informes por email.

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