APLICACIONES DEL MEDIDOR DIGITAL DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

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APLICACIONES DEL MEDIDOR DIGITAL DE RESISTENCIA DE

PUESTA A TIERRA

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

INGENIERO ELECTRICISTA

P R E S E N T A N:

JAIME MARTIN MARTINEZ YAÑEZ

ISAÍ VELÁZQUEZ MARTÍNEZ

A S E S O R E S:

ING. ENRIQUE GALINDO IBARRA

DR. DAVID SEBASTIÁN BALTAZAR

(2)

UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER EL TIT1JLO DE INGENIERO ELECTRICISTA

POR LA OPCIÓN DE TITULACiÓN TESIS COLECTIVA y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL

DEBERA(N) DESARROLLAR C. JAIME MARTÍN MARTÍNEZ y AÑEZ

c. ISAÍ VELÁZQUEZ MARTÍNEZ

"APLICACIÓN DEL MEDIDOR DIGITAL DE PUESTA A TIERRA"

COMPRENDER Y ANALIZAR EL COMPORTAMIENTO DEL MEDIDOR DIGITAL DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA MODELO 4630 AEMC INSTRUMENT, POR MEDIO DEL CUAL SE MEDIRÁ LA RESISTIVIDAD DEL SUELO Y REALIZAR UN ESTUDIO DE UN SISTEMA DE TIERRAS Y PROPONER SI SON NECESARIAS LAS MEJORAS CORRESPONDIENTES .

• :. INTRODUCCIÓN .

• :. RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA . • :. RESISTIVIDAD DE LA TIERRA .

• :. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD Y LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA . • :. CARACTERÍSTICAS DEL MEDIDOR DIGITAL DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA . • :. PUESTA A TIERRA EN EDIFICIOS •

• :. MEDICIONES y ANÁLISIS DE RESULTADOS . • :. CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES.

MÉXICO D. F., A 11 DE MAYO DE 2009.

ASESORES

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JEFATURA DE

(3)

I

ÍNDICE

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

PAG.

1.1 INTRODUCCIÓN……….. 1

1.1.1 Fundamentos científicos y tecnológicos de la ingeniería de puesta a tierra……… 2

1.1.2 Clasificación de los sistemas de puesta a tierra………... 3

1.1.3 Elementos de un sistema de puesta a tierra………. 4

1.2 OBJETIVO………... 4

1.3 JUSTIFICACIÓN……….. 4

1.4 ANTECEDENTES HISTÓRICOS……….. 5

1.5 APORTACIONES DE LA TESIS………... 7

1.6 LIMITACIONES Y ALCANCES……….. 7

1.7 ESTRUCTURA DE LA TESIS……… 8

CAPÍTULO 2 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 2.1 INTRODUCCIÓN………. 10

2.2 CONCEPTOS BÁSICOS DE LA PUESTA A TIERRA………... 10

2.3 IMPORTANCIA DE PUESTA A TIERRA………. 11

2.3.1 Sistemas de electrodos………. 15

2.3.2 Sistemas de conexión a tierra……..………... 16

2.3.3 Mallas………... 17

2.4 CONDUCTORES DEL ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA…………... 19

2.4.1 Conductores descendentes o de bajada……… 19

2.4.2 Red de terminales a tierra……… 20

2.5 CONEXIÓN A TIERRA……… 21

2.5.1 La conexión a tierra en las instalaciones………... 25

2.5.2 El tamaño o extensión del sistema de tierras……… 26

2.5.3 Control del ruido………. 27

(4)

II

2.6 SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS……….

ATMOSFÉRICAS

31

2.6.1 Pararrayos y Apartarrayos……… 31

2.7 MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA A TIERRA………... 34

2.7.1 Varillas de mayor diámetro………... 34

2.7.2 Varillas más largas………. 35

2.7.3 Varillas en paralelo (electrodos múltiples)………. 36

2.7.4 Electrodos químicos……….. 36

2.8 NATURALEZA DE LAS CORRIENTES TELÚRICAS……… 38

2.8.1 Orígenes de las corrientes telúricas……… 39

2.8.2 Importancia y trascendencia de las corrientes telúricas……….. 40

2.8.3 Mecanismos del transporte de electricidad a través de la tierra…… 42

2.8.4 Efectos fisiológicos de las corrientes de tierra………. 43

2.8.5 Resistencia de los zapatos………... 44

CAPÍTULO 3 RESISTIVIDAD DE LA TIERRA 3.1 INTRODUCCIÓN………. 46

3.2 CONDICIONES DE LOS TERRENOS………. 46

3.3 LA TIERRA Y LA RESISTIVIDAD………. 48

3.3.1 Sales solubles………. 49

3.3.2 Composición del terreno………... 49

3.3.2.1 Corrosión en los electrodos de puesta a tierra………. 50

3.3.3 Estratigrafía………. 53

3.3.4 Granulometría………. 53

3.3.5 Estado higrométrico………... 53

3.3.6 Temperatura……… 54

3.3.7 Compactación………. 56

3.3.8 Humedad………. 56

(5)

III

CAPÍTULO 4

MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD Y LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

4.1 INTRODUCCIÓN………. 58

4.2 MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO………... 59

4.2.1 Método de Wenner……… 62

4.2.2 Método de Schlumberger………. 64

4.2.3 Método de la tierra conocida……… 65

4.2.4 Método de los tres puntos o triangulación………. 66

4.2.5 Método de la caída de potencial……….. 67

4.2.6 Método de la relación……… 68

4.3 TENSIÓN DE CONTACTO Y DE PASO……….. 69

4.3.1 Tensión de contacto……….. 69

4.3.2 Tensión de paso………. 71

CAPÍTULO 5 CARACTERÍSTICAS DEL MEDIDOR DIGITAL DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 5.1 INTRODUCCIÓN……….. 73

5.2 CARACTERÍSTICAS DEL TELURÍMETRO DIGITAL 4630………. 74

5.3 MEDICIONES QUE REALIZA EL TELURÍMETRO DIGITAL 4630………. 76

5.3.1 Método de las tres conexiones (Método del 62%), para mediciones de resistencia de puesta a tierra de electrodos y mallas…………. 76

5.3.1.1 Procedimiento para realizar una medida de resistencia, de una toma de tierra con el método del 62 %... 77

5.3.2 Medida de la resistividad del suelo, método de las cuatro conexiones……… 79

5.3.2.1 Procedimiento para realizar la medición de resistencia del terreno, método de las cuatro conexiones (método WENNER)……….. 79

5.3.3 Método de ensayo de dos conexiones para realizar pruebas de continuidad en uniones o sistemas de puesta a tierra existentes……… 80

5.3.4 Medida de acoplamiento………... 80

(6)

IV

CAPÍTULO 6

PUESTA A TIERRA EN EDIFICIOS

6.1 INTRODUCCIÓN………. 84

6.2 PUESTA A TIERRA EN EDIFICIOS DE NUEVA CONSTRUCCIÓN…….. 84

6.2.1 El terreno………. 85

6.2.2 Tomas de tierra……….. 86

6.2.2.1 Electrodos………. 86

6.2.2.2 Líneas de enlace con tierra……… 87

6.2.2.3 Punto de puesta a tierra……….. 87

6.2.3 Línea principal de tierra………. 88

6.2.4 Derivaciones de las líneas principales de tierra……… 88

6.2.5 Conductores de protección………...... 88

6.2.6 Elementos a conectar a la puesta a tierra en los edificios de nueva construcción………. 89

6.3 PUESTA A TIERRA EN EDIFICIOS EXISTENTES………... 90

6.3.1 Electrodos artificiales………. 91

6.3.2 Elementos de construcción……….. 92

6.3.3 Tomas de tierra existentes………... 92

6.3.4 Tomas de tierra con cimentaciones de hormigón armado………….. 93

6.3.5 Puesta a tierra con vigas metálicas……… 94

6.4 CONSEJOS PRÁCTICOS PARA LA INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE UNA BUENA TOMA DE TIERRA EN EDIFICIOS DE NUEVA CONSTRUCCIÓN O EDIFICIOS EXISTENTES………. 95

CAPÍTULO 7 MEDICIONES Y ANALISIS DE RESULTADOS 7.1 INTERPRETACIÓN DE LAS MEDICIONES DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO………... 96

7.2 MEDICIONES DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO (MÉTODO WENNER)………. 96

(7)

V

CAPÍTULO 8

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

8.1 CONCLUSIONES……… 110

8.2 RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS……… 111

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………. 112

LISTA DE FIGURAS

CAPÍTULO 2 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA PAG. FIGURA 2.1 Electrodo único de conexión a tierra……… 16

FIGURA 2.2 Varios electrodos conectados entre sí………. 16

FIGURA 2.3 Red de mallas……….. 17

FIGURA 2.4 Placa de conexión a tierra……….. . 17 FIGURA 2.5 Sistema de tierras……… 18

FIGURA 2.6 Curva de efectos de la corriente eléctrica……… 26

FIGURA 2.7 Sistema no conectado a tierra (peligroso)………... 29

FIGURA 2.8 Conexión a tierra a través del neutro……… 29

FIGURA 2.9 Uso del cable de tierra……… 30

FIGURA 2.10 Curva de resistencia contra diámetro del electrodo………. 34

FIGURA 2.11 Curva de resistencia contra longitud del electrodo……….. 35

FIGURA 2.12 Electrodo de puesta a tierra con tratamiento químico…………. 38

CAPÍTULO 3 RESISTIVIDAD DE LA TIERRA FIGURA 3.1 Muestra la corrosión en el electrodo………. 52

FIGURA 3.2 Variación de la resistividad en función de la temperatura………. 55

(8)

VI

CAPÍTULO 4

MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD Y LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

FIGURA 4.1 Disposición de los electrodos en el método de Wenner………… 62

FIGURA 4.2 Disposición de los electrodos en el método de Schlumberger…. 62 FIGURA 4.3 Disposición de los electrodos de potencial (P) y de corriente (C)………... 63

FIGURA 4.4 Disposición de los electrodos de potencial (P) y de corriente (C)………... 65

FIGURA 4.5 Método de la tierra conocida……….. 66

FIGURA 4.6 Método de las tres puntas………... 66

FIGURA 4.7 Método de la caída de potencial……… 68

FIGURA 4.8 Exposición a Tensión de contacto……… 70

FIGURA 4.9 Exposición a tensión de paso……… 72

CAPÍTULO 5 CARACTERISTICAS DEL MEDIDOR DIGITAL DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA FIGURA 5.1 Partes del telurímetro digital modelo 4630..……… 75

FIGURA 5.2 Diagrama eléctrico del método de los tres puntos………. 78

FIGURA 5.3 Diagrama físico del método de los tres puntos ………... 78

FIGURA 5.4 Muestra la conexión eléctrica de los electrodos………. 79

FIGURA 5.5 Diagrama físico del método de los cuatro puntos………... 80

FIGURA 5.6 Esquema de conexiones para medir acoplamiento entre dos tomas de tierras……… 81

CAPÍTULO 6 PUESTA A TIERRA EN EDIFICIOS FIGURA 6.1 Esquema de un sistema de puesta a tierra en un edificio destinado principalmente a viviendas………... 85

FIGURA 6.2 Puntos de puesta a tierra……… 87

FIGURA 6.3 Elementos a conectar a los puntos de puesta a tierra………….. 90

FIGURA 6.4 Conexión de las estructuras metálicas………. 94

(9)

VII

CAPÍTULO 7

MEDICIONES Y ANALISIS DE RESULTADOS

FIGURA 7.1 Plano del lugar donde se llevaron a cabo las mediciones……… 96

FIGURA 7.2 Gráficas obtenidas de la medición 1………. 97

FIGURA 7.3 Gráficas obtenidas de la medición 2………. 98

FIGURA 7.4 Plano del lugar donde se llevaron a cabo las mediciones………

100

FIGURA 7.5 Gráfica obtenida de la medición 1………. 101

FIGURA 7.6 Gráfica obtenida de la medición 2………. 102

FIGURA 7.7 Gráfica obtenida de la medición en el campo de la ECB……….. 104

FIGURA 7.8 Plano del lugar donde se llevaron a cabo las mediciones………….…… 105

FIGURA 7.9 Esquema de la subestación ESIME-IPN……….. 109

LISTA DE TABLAS

CAPÍTULO 2

RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

PAG.

TABLA 2.1 Calibre de los conductores para puesta a tierra de equipos……... 24

TABLA 2.2 Sensibilidad al paso de electricidad entre las manos……….. 43

TABLA 2.3 Sensaciones de la electrificación entre brazos y piernas………… 44

TABLA 2.4 Resistencia eléctrica de zapatos………. 45

CAPÍTULO 3

RESISTIVIDAD DE LA TIERRA

TABLA 3.1 Resistividad típica de diferentes terrenos……….. 49

TABLA 3.2 La resistividad debido a la corrosión en el suelo……….. 52

TABLA 3.3 Naturaleza del terreno………... 53

(10)

VIII

CAPÍTULO 5

CARACTERÍSTICAS DEL MEDIDOR DIGITAL DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

TABLA 5.1 Características funcionales del Telurímetro………... 82

TABLA 5.2 Condiciones de referencia………. 83

TABLA 5.3 Resistencia……….. 83

CAPÍTULO 7 MEDICIONES Y ANÁLISIS DE RESULTADOS TABLA 7.1 Resultado de las mediciones (medición 1)………. 97

TABLA 7.2 Resultado de las mediciones (medición 2)………. 98

TABLA 7.3 Resultado de las mediciones (medición 3)………. 99

TABLA 7.4 Resultado de las medición 1………. 100

TABLA 7.5 Resultado de las medición 2………. 101

TABLA 7.6 Resultado de las mediciones realizadas en el campo a un costado de la ENCB……….. 103

TABLA 7.7 Resultado de las mediciones realizadas en el campo a un costado de la ENCB………. 103

TABLA 7.8 Resultado de las mediciones para el electrodo 1……….. 105

TABLA 7.9 Resultado de las mediciones para el electrodo 2……….. 106

TABLA 7.10 Resultado de las mediciones para el electrodo 3……… 106

TABLA 7.11 Resultado de las mediciones para el electrodo 2 usando electrodos húmedos……… 107

TABLA 7.12 Resultado de las mediciones para el electrodo 3 usando electrodos húmedos……… 107

TABLA 7.13 Resultado de las mediciones para el electrodo auxiliar……… 108

TABLA 7.14 Resultado de las mediciones para la estructura………. 108

TABLA 7.15 Resultado de las mediciones para la malla ciclónica………. 109

(11)

Página 1

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

1.1 INTRODUCCIÓN

Definición.

La ingeniería de puesta a tierra es la tecnología de la acción que se ocupa de la aplicación de conocimientos científicos y tecnológicos sustantivos, pero también de conocimientos empíricos comprobados dirigidos hacia la eficiente, segura y económica utilización de la tierra como elemento eléctrico para fines diversos [1].

La ingeniería de puesta a tierra se ocupa del eficiente, seguro y económico traspaso de corrientes eléctricas, de diversa naturaleza, hacia la tierra en las instalaciones eléctricas [2].

Su trascendencia radica en procurar seguridad para los seres vivos, personas y animales, que se encuentren sobre o en las cercanías de un sistema de tierra de una instalación eléctrica durante un eventual traspaso de corriente hacia la tierra, pero también en beneficio sobre el grado de eficiencia de los procesos técnicos involucrados y, por supuesto, en el monto de los recursos necesarios para la realización de las instalaciones de puesta a tierra [1].

(12)

Página 2

1.1.1 Fundamentos científicos y tecnológicos de la ingeniería de puesta a tierra

La ingeniería de puesta a tierra es una tecnología de la acción ubicada dentro del ámbito de la electrotecnia, sin embargo como toda tecnología de la acción, está constituida con base a un cuerpo científico muy sólido [1].

El cuerpo de conocimientos científicos comprende elementos de distintas disciplinas que caen dentro del dominio de las llamadas ciencias de la tierra, y precisamente en la geología, es sus ramas: geofísica y geoquímica [2].

La geofísica es la que participa con mayor peso con algunas de sus disciplinas, como por ejemplo, el geomagnetismo, la geoélectrica y la electricidad atmosférica. De particular interés para la ingeniería de puesta a tierra son la geoeléctrica y la electricidad atmosférica. La geoeléctrica se ocupa del estudio de todo lo relacionado con la circulación de la electricidad dentro de la tierra y de los fenómenos eléctricos y magnéticos involucrados, por ello se puede considerar como la tecnología sustantiva vertebral de la ingeniería de puesta a tierra

Una instalación eléctrica de puesta a tierra es aquella instalación eléctrica que tiene como misión derivar la corriente hacia la tierra, o bien establecer contacto con ella, las corrientes involucradas pueden ser de naturaleza estacionaria, casi estacionaria, de alta frecuencia o electromagnética en forma de impulsos, corrientes que pueden ser originadas durante el funcionamiento de un sistema eléctrico hecho por el hombre o causado por un fenómeno natural [1].

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Página 3

1.1.2 Clasificación de los sistemas de puesta a tierra

Se pueden dar varias clasificaciones de una instalación de puesta a tierra pero se enunciaran las más generales:

La primera clasificación es:

1) Instalación artificial de puesta a tierra.- son aquellas puestas a tierra que se construyen específicamente para tal fin, utilizando las diversas clases de electrodos de puesta a tierra (picas, bandas, anillos, etc.).

2) Instalación natural de puesta a tierra.- son en realidad elementos de otros sistemas técnicos por ejemplo, líneas de tuberías metálicas o de cables de energía con cubierta conductora, cimientos (de estructuras metálicas, de equipos eléctricos etc.), vías férreas y hasta vías de agua que se encuentren dentro del ámbito de la instalación que se desea proteger y/o en su proximidad. Tales elementos metálicos así como el hormigón y las vías de agua se comportan como electrodos de tierra.

Otra clasificación sería.

1) Instalación de puesta a tierra de servicio.- Es la que se aplica para satisfacer ciertas condiciones del servicio del sistema técnico en cuestión (puesta a tierra del punto estrella de un transformador de potencia).

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Página 4

1.1.3 Elementos de un sistema de puesta a tierra

El elemento central de una instalación de puesta a tierra es el electrodo, que es un elemento metálico (fierro, acero, cobre. Aluminio, etc.), por medio del cual se introduce la corriente a la tierra, los electrodos adoptan formas geométricas bien ensayadas para tal fin y son: semiesfera, picas (tubo, varilla, bastón, etc.), banda (conductor, etc.), placa y anillo. Son componentes importantes, por supuesto, los conductores de tierra (los que unen al elemento por proteger con el electrodo), los conductores colectores (líneas conductoras que unen a varios electrodos para la operación en paralelo), así como los conectores de unión (que hacen factible la unión correcta entre los diversos elementos del sistema de tierra) [1].

1.2 OBJETIVO:

Comprender y analizar el comportamiento del medidor digital de resistencia de puesta a tierra modelo 4630 AEMC INSTRUMENT, por medio del cual se medirá la resistividad del suelo. Y realizar un estudio de un sistema de tierras y proponer si son necesarias las mejoras correspondientes.

1.3 JUSTIFICACIÓN:

El sistema de puesta a tierra provee un camino de baja impedancia para drenar la corriente de falla a tierra, corrientes de fuga y disturbios presentes en las redes de energía eléctrica.

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Página 5

Debido a la importancia que tiene un sistema de tierras dentro de una instalación eléctrica, se presenta la necesidad de llevar a cabo un estudio del medidor digital de resistencia de puesta a tierra, el cual ayudara a proponer sistemas de tierras seguras ya que se estará garantizando que los sistemas eléctricos estén sólidamente aterrizados. Y así proponer mejoras en sistemas de tierras ya existentes.

1.4 ANTECEDENTES HISTÓRICOS

A pesar de que la tierra ha sido elemento eléctrico desde hace millones de años, tanto su reconocimiento como su utilización en los sistemas técnicos construidos por el hombre son muy recientes. Para las primeras civilizaciones la única manifestación eléctrica perceptible, la electricidad atmosférica, estuvo siempre ligada a supersticiones, a la mitología y a la religión. Sin embargo, cuando se investigaba dentro del periodo de gestación de la ciencia eléctrica, se observa que ya desde entonces los hombres se interesaron en las posibles aplicaciones de electricidad y de sus efectos en los diversos aspectos de su vida diaria y se puede considerar que en los experimentos de hombres, prácticamente sin facilidades, pero con mente inquisitiva, como S. Gray, H. F. Weber, C. A. Steinheil, entre otros, se encuentran las raíces de la técnica de la puesta a tierra, cuyos aspectos esenciales siguen siendo el estudio del comportamiento de la tierra como conductor y polo eléctrico, así como de sus efectos tanto benéficos como nocivos.

(16)

Página 6

Por su parte en 1883, Carl August Steinheil llegó a comprobar que la tierra conducía la electricidad y que por tanto, podía ser utilizado como circuito de retorno de esta, lo cual ayudo en el desarrollo de la telegrafía por hilo. Se puede pensar que con ello se inicia la técnica de la puesta a tierra dentro del dominio de las comunicaciones eléctricas.

Del grupo de los hombres que continuaron indagando los efectos de la corriente eléctrica por el cuerpo humano, destaca el doctor H.F. Weber, quien en 1897, en la ciudad de Zurích, con inaudito atrevimiento en el mismo llevo a cabo una serie de experimentos trascendentes acerca de los efectos de la electricidad sobre el cuerpo humano en función del tiempo que permanecía la corriente. Tales trabajos se consideran ya investigaciones, válidas para servir como bases en las prescripciones sobre la puesta a tierra dentro de las instalaciones eléctricas de la asociación de electrotécnicos alemanes del año 1904.

En las redes eléctricas el desarrollo sistemático, científico y técnico de la puesta a tierra se inicia, prácticamente, con la aparición de un gran número de investigadores, predominantemente de origen alemán, ingles y estadounidense, estos identificaron varios problemas particulares de la puesta a tierra en los sistemas eléctricos, con lo que se fue integrando a las técnicas de la puesta a tierra dentro del ámbito de la ingeniería eléctrica.

Franz Ollendorf, sin duda es el investigador más completo y formal, no solo abordo ciertos problemas particulares de puesta a tierra, sino que también se empeño en organizar de manera coherente todo el sistema problemático científico involucrado (geología, geofísica, teoría de la electricidad y matemáticas), exponiéndolo en un

magnífico libro en lengua alemana (Erdstroeme: corrientes telúricas, editado en

(17)

Página 7

frecuencia, en corriente alterna rápida y/o de alta frecuencia, así como en corriente que se propaga como onda electromagnética de impulso.

Por su parte, Walter Koch, además de abordar diversos problemas particulares de aplicación de la puesta a tierra dentro del ámbito de las corrientes intensas, escribió un libro sobre la puesta a tierra en instalaciones de corriente alterna con voltajes superiores a 1 kV, en lengua alemana, editado en Berlín, en 1949. Koch describe en su libro, de manera estricta, los aspectos técnicos esenciales relacionados con la puesta a tierra en las instalaciones, abordando el análisis con un tratamiento menos riguroso que el desarrollado por Ollendorf, y más orientado hacia los fines prácticos (o de ingeniería) de la puesta a tierra en tales instalaciones

• Se realizó el estudio de las aplicaciones del medidor digital de resistencia

de puesta a tierra modelo 4630, para realizar mediciones de resistencia en sistemas de puesta a tierra y resistividad del terreno, en las instalaciones de la ESIMEZ-IPN.

[1,3,4,5,6].

1.5 APORTACIONES DE LA TESIS

• Se presenta una metodología de análisis para mediciones de resistividad

del terreno y mediciones de puesta a tierra.

1.6 LIMITACIONES Y ALCANCES

Limitaciones

• Debido a que el equipo utilizado es propiedad de la ESIMEZ, IPN. No se

(18)

Página 8

institución, para así poder realizar otro tipo de mediciones tanto de puesta a tierra como de resistividad del terreno.

Alcances

• El estudio del medidor digital de resistencia de puesta a tierra 4630,

permitió conocer las aplicaciones de dicho equipo, con el fin de llevarlas a la práctica.

• Se realizaron las mediciones con el medidor digital de resistencia de puesta

a tierra 4630, en las instalaciones de la ESIMEZ, IPN.

• Se pudo conocer las condiciones de resistividad del terreno, así como la

resistencia de puesta a tierra, por medio de un análisis de las mediciones que se obtuvieron.

1.7 ESTRUCTURA DE LA TESIS

• En el capítulo 1 se presentan los antecedentes e importancia de estudiar

los sistemas de puesta a tierra.

• En el capítulo 2 se presentan los conceptos básicos y la importancia de

puesta a tierra. Además son presentados algunos métodos para mejorar la resistencia de puesta a tierra.

• En el capítulo 3 se presentan los diferentes tipos de suelo que se pueden

(19)

Página 9

• En el capítulo 4 se presentan los métodos de medición, tanto para medir la

resistividad del suelo como la resistencia de puesta a tierra.

• En el capítulo 6 se presentan las características del medidor digital de

puesta a tierra, así como las mediciones que se pueden realizar con el medidor.

• En el capítulo 7 se presentan las mediciones realizadas, así como el

análisis de resultados tanto para la resistencia de puesta a tierra como la resistividad del terreno.

• El capítulo 8 contiene las conclusiones, logros obtenidos durante el

(20)

Página 10

CAPÍTULO 2

RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

2.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se presenta la importancia de la puesta a tierra, para proteger al equipo y al personal que trabaje cerca de alguna instalación de mediana o alta tensión, se presentan los tipos de electrodos que hay como son; las placas, mallas y electrodos de tierra.

Se describe cada una de las partes que conforman un sistema de puesta a tierra como son, el electrodo en sí, el conductor de tierra y los conectores de union.

Se destacan las características de los diferentes métodos para bajar la resistencia del terreno, como son los de usar varillas de mayor diámetro, y cuando la resistencia del terreno es muy grande y los métodos antes mencionados no se pueden utilizar, o no son suficientes, se puede utilizar otro método que consiste en usar químicos, estos químicos se riegan alrededor del electrodo de tierra, lo que ocasiona que la resistencia del terreno disminuya.

Se muestran las curvas de las consecuencias que son mortales para el hombre, de las cuales se tiene que para una corriente mayor de 50 mA en tiempos relativamente cortos

2.2 CONCEPTOS BÁSICOS DE LA PUESTA A TIERRA

Se asume que el planeta tierra tiene un potencial cero, que puede ser un excelente o pésimo conductor eléctrico, esto dependerá del grado de humedad, del tipo de terreno que puede ser orgánico, arenoso, arcilloso, rocoso, roca volcánica, etc.

(21)

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de igualarse al potencial del planeta tierra, para que no exista una diferencia de potencial que pudiera representar un peligro al los seres humanos.

El objetivo de la puesta a tierra de un sistema eléctrico o la conexión intencional del conductor de una fase o el neutro a tierra es:

• Estabilizar el potencial a tierra.

• Proveer un camino para que circule la corriente de falla a tierra, lo cual

permitirá que los dispositivos de protección contra sobrecorriente operen para liberar la falla.

El control del potencial a tierra reduce el peligro de las descargas eléctricas en las personas que están en contacto con conductores energizados [7].

Conductor de puesta a tierra; conductor utilizado para conectar un equipo o el circuito puesto a tierra de un sistema de alambrado al electrodo o electrodos de puesta a tierra.

Conductor de puesta a tierra de los equipos; conductor utilizado para conectar las partes metálicas no conductoras de corriente eléctricas de los equipos, canalizaciones u otros envolventes al conductor del sistema puesto a tierra, al conductor del electrodo de puesta a tierra ambos, en los equipos de acometida o en el punto de origen de un sistema derivado separadamente[8,14].

Conductor puesto a tierra; conductor de un sistema o circuito intencionadamente puesto a tierra [8].

2.3 IMPORTANCIA DE PUESTA A TIERRA

(22)

Página 12

• Todas las partes de los aparatos (distintas de las partes vivas), que se

conecten al sistema de tierras (a través de conductores de puesta a tierra), estén al potencial de tierra.

• Los operadores y personal de la instalación, estén siempre al potencial de

tierra.

Recientemente, el concepto de un buen sistema de tierras, ha sido el de obtener una resistencia de tierra tan baja como sea posible. Sin embargo, en sistemas donde las corrientes de falla son excesivamente altas, resulta difícil, mantener potenciales a tierra dentro de los límites de seguridad, aunque la resistencia de tierra se mantenga baja.

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 pueden tener un gran efecto en la magnitud de las tensiones de línea a tierra que deben ser mantenidos en las condiciones normales y bajo condiciones transitorias. En sistemas no puestos a tierra, algunas tensiones pueden provocar fallas en el aislamiento de 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 [3].

La puesta a tierra de los equipos se refiere a la conexión intencional de las carcasas bastidores o estructuras metálicas no portadores ó transmisores de corriente de los mismos, para lograr los siguientes propósitos.

(23)

Página 13 conductor energizado, si el primero no está debidamente conectado a tierra, constituye un serio peligro para el personal del área, por supuesto, esto debe combinarse con buenos relevadores 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 la 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 solo mantiene la seguridad del personal y provee un camino de baja impedancia para las corrientes de falla, sino que también mantienen el mismo nivel de potencial de tierra en todas las unidades del sistema, si estas están conectadas entre si a tierra al mismo tiempo.

Estas son, entre otras, las razones de la necesidad de un buen sistema de puesta a tierra [4,6].

(24)

Página 14 Para evitar estos efectos, se deben instalar dispositivos que para el caso de sobretensiones superiores a las nominales, formen un circuito alternativo a tierra, disipando dicha energía a través asegure una capacidad de disipación adecuada.

Otra fuente importante de disturbios son l conmutación de sistemas y grandes cargas inductivas.

Tener presente que una inadecuada o mala tierra puede empeorar l

(relación señal

Concretamente el sistema de puesta a tierra provee un camino de baja impedancia para derivar a tierra corrientes de fuga y disturbios presentes en las redes de energía, a través de los dispositivos de protecciones específicos.

El tipo de sistema de puesta a tierra será del tipo equipotencial, es decir todas las distintas partes componentes del sistema (anillos, estarán vinculados de manera de asegurar la equipotencialidad entre ellas.

Un sistema de puesta a tierra con todos sus elementos asociados, provee de las siguientes etapas de protección:

La protección del

• Para minimizar la diferencia de potencial entre los objetos metálicos y las personas a fin de reducir el atmosféricas y corrientes de falla.

La protección y funcionamiento del equipamiento:

• Para minimizar la diferencia de potencial entre todos los objetos metálicos y proveer protecciones de equipamiento contra tensiones peligrosas y descargas eléctricas.

(25)

Página 15

• Para brindar compatibili

• Para minimizar el efecto de disturbios eléctricos en la operación del equipamiento por ruido [9].

La red de tierras de la instalación conectada a la generación será independiente de cualquier otra red de tierras. Se considerará que las redes de tierra son independientes cuando el paso de la corriente máxima de defecto por una de ellas, no provoca en las otras diferencias de tensión respecto a la tierra de referencia, superiores a 10 V [6].

2.3.1 Sistemas de electrodos

(26)

Página 16

2.3.2 Sistemas de conexión a tierra

Los sistemas simples de conexión a tierra física constan de un único electrodo de tierra física colocado en el terreno. El uso de un único electrodo de tierra física es la forma más común de realizar dicha conexión a tierra física, y puede encontrarse fuera de su casa o lugar de trabajo.

Los sistemas complejos de conexión a tierra física constan de varias varillas de conexión a tierra física conectadas entre sí, de redes en malla, de placas de conexión a tierra física.

Estos sistemas típicamente se instalan en las subestaciones de generación de energía eléctrica, oficinas centrales y sitios de torres de comunicación. Las redes complejas aumentan drásticamente la cantidad de contacto con la tierra circundante, y disminuyen las resistencias de conexión a tierra física.

En las figuras 2.1, 2.2, 2.3 y 2.4 se muestran los diversos tipos de electrodos de puesta a tierra:

FIGURA 2.1. Electrodo único de conexión a tierra.

(27)

Página 17

FIGURA 2.3. Red de mallas

FIGURA 2.4 Placa de conexión a tierra

2.3.3 Mallas

En la actualidad los sistemas de tierra, especialmente en las subestaciones eléctricas, adoptan la forma de una malla que contiene un número determinado de pequeñas mallas rectangulares, de conductores de tierra instalados en forma horizontal, y conductores a electrodos (varillas), localizados a ciertos intervalos.

Los electrodos (varillas) se pueden usar o no, dependiendo del diseño de la malla de tierra. Todas las estructuras metálicas y carcasas de equipos, incluyendo las rejas metálicas en las áreas de trabajo, se deben conectar por seguridad, a la malla de tierra [5].

(28)

Página 18 ELECTRODOS

DE PUESTA A TIERRA CONDUCTORES

QUE FORMAN LA MALLA

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.

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

La norma oficial mexicana de instalaciones eléctricas 2005 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.

En la figura 2.5 se muestra una malla con puntos de conexión por medio de los electrodos en un sistema de tierras.

(29)

Página 19

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 factor principal en la selección del material es la resistencia a la corrosión. El cobre es el material más utilizado porque es económico, tiene buena conductividad, es resistente a la corrosión y tiene un punto elevado de fusión (1083 ºC).

2.4 CONDUCTORES DEL ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA

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 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 contacto con la tierra o con el cemento. Por ello, la norma mexicana de Instalaciones eléctricas 2005 sólo permite el uso de aluminio como conductor desde una altura mínima de 450 mm sobre el suelo.

2.4.1 Conductores descendentes o de bajada

(30)

Página 20

Hay dos tipos de conductores de bajada, los conductores principales que conectan la punta con el electrodo directamente y los conductores secundarios que conectan las puntas con conductores principales (ramificaciones). Cuando se reduce el espaciamiento, aumentará el número de conductores de bajada que pueden ser instalados, esto puede reducir el riesgo de descargas laterales, pero también aumenta el costo de la instalación, por lo que se debe tener una buena razón para incrementar el número de conductores de bajada. Se considera una distancia de 30 a 40 m, de un conductor a otro.

2.4.2 Red de terminales a tierra

Cuando un rayo ha sido interceptado por las terminales aéreas y conducido a tierra por medio de conductores descendentes, la red de tierras tiene la función de descargar esta corriente a tierra de manera segura y efectiva. Existen dos aspectos que deben ser considerados. El primer aspecto a tratar es el de los efectos de la resistencia tierra de un sistema de protección contra rayos, y el segundo, en la distribución de potencial sobre la superficie de la tierra que rodea el edificio o instalación.

Se debe considerar también que cuando un electrodo de tierra es sujeto a un impulso de corriente, si el suelo donde está el electrodo es arenoso o con grava, puede resultar una ruptura eléctrica del suelo, por lo cual éste se puede considerar como un aislador. La resistencia a tierra de una Terminal está considerada por el valor óhmico, que podemos determinar por medio de mediciones.

De acuerdo con la norma para instalaciones eléctricas (NOM-001-SEDE-2005), una trayectoria eléctrica de tierra debe de tener los siguientes atributos:

a) Permanente y continua.

(31)

Página 21

c) Tener una impedancia suficientemente baja para limitar la tensión a tierra y facilitar la operación de los dispositivos de protección en el circuito.

d) La tierra no se deberá usar como un conductor de tierra aislado.

2.5 CONEXIÓN A TIERRA

 La conexión a tierra establece la tensión cero como referencia para un

sistema de distribución eléctrico y provee protección para el sistema eléctrico y el equipo de tensiones superpuestos por descarga y contacto con sistemas de alto voltaje. La Conexión a tierra previene la aparición de tensiones estáticas y potencialmente peligrosas en un edificio.

 El electrodo de tierra más común es una varilla de acero cubierta de cobre.

 La resistencia a tierra debe ser tan baja como sea posible, lo que dará un

buen funcionamiento al sistema de distribución y una buena protección al personal.

 El neutro del sistema de distribución se conecta a tierra en la entrada del

servicio.

 El neutro y la tierra también se conectan juntos al secundario del

transformador en el sistema de distribución, donde el secundario forma un sistema aterrizado.

El propósito de poner a tierra los equipos es triple:

a) Para minimizar tensiones en equipo eléctrico, protegiendo de esta manera al personal, ante una descarga atmosférica ò de una electrocución al contacto con el equipo.

b) Para proporcionar una trayectoria de baja impedancia de amplia capacidad de conducción de corriente, para garantizar la operación rápida de los dispositivos contra sobre corriente bajo condiciones de falla a tierra.

(32)

Página 22

Algunas de las normas de la NOM-001-sede-2005 relacionadas con instalaciones eléctricas (utilización), se presentan a continuación:

Del Artículo 250 puesta a tierra

Los sistemas y los conductores de circuito son puestos a tierra para delimitar las sobretensiones eléctricas debidas a descargas atmosféricas, transitorios en la red o contacto accidental con líneas de alta tensión, y para estabilizar la tensión eléctrica a tierra durante su funcionamiento normal. Los conductores de puesta a tierra del equipo se unen al conductor puesto a tierra del sistema para que ofrezcan un camino de baja impedancia para las corrientes eléctricas de falla, y que faciliten el funcionamiento de los dispositivos de protección contra sobrecorriente en caso de falla a tierra.

Del artículo 250-3 sistemas de corriente eléctrica continua (c.c)

Los sistemas de c.c de dos conductores que suministren energía al sistema de alumbrado de usuarios, deben de estar puestos a tierra, a excepción de que 1) cuente con un detector de falla a tierra, 2) que el sistema funcione a menos de 50 V.

Del artículo 250-5 sistemas y circuitos de corriente alterna (c.a).

Los sistemas de circuitos de c.a deben de ser puestos a tierra, sobre todo si, 1) cuando el sistema se está alimentando con un transformador que no este puesto a tierra, 2) que el suministro del transformador exceda de 150 V a tierra, es necesario conectar a tierra el neutro del sistema.

Del artículo 250-24 Sistemas puestos a tierra.

(33)

Página 23

Del artículo 250-84 Resistencia de electrodos de varillas, tuberías y placas.

Un electrodo que consista en una varilla, tubería ó placa, debe de tener una

resistencia a tierra menor a 25 Ω o menor una vez enterrado, en caso que la

resistencia a tierra sea mayor que 25 Ω debe de complementarse con uno o más

electrodos adicionales para disminuirla.

Del Artículo 250-113 A los conductores y equipo.

Los conductores de puesta a tierra y los cables de puentes de unión se deben de conectar mediante soldadura exotérmica, conectores a presión aprobados, abrazaderas u otros medios también aprobados.

Del Artículo 200 Uso e identificación de conductor de puesta a tierra.

El conductor de puesta a tierra puede ser de color verde, una tubería de agua puede usarse como conductor de puesta a tierra, el conductor puesto a tierra o neutro debe ser de color gris, blanco o tener tres franjas anaranjadas, el neutro debe ser de igual o mayor diámetro que de las fases en el sistema.

Del Artículo 921 puesta a tierra.

El sistema de tierras debe de consistir de uno o más electrodos conectados entre sí, debe de tener una resistencia de tierra baja para minimizar los riesgos al personal en función a la tensión eléctrica de paso y de contacto se considera un

valor aceptable de 10 Ω; en terrenos con alta resistividad este valor puede llegar

hasta de 25 Ω.

Los sistemas con un solo electrodo deben de utilizarse cuando la resistencia a

tierra no exceda los 25 Ω en las condiciones más crítica s, para instalaciones

subterráneas el valor recomendado de la resistencia a tierra es de 5 Ω. [8]

Del Artículo 250-91 conductor del electrodo de puesta a tierra.

(34)

Página 24

debe de ser de un solo tramo continuo, sin empalmes o uniones, se permiten empalme en las barras conductoras.

El conductor del electrodo de puesta a tierra debe de estar sujeto sólidamente, el

calibre de tal conductor debe ser mayor a 21,2 mm2 (4 AWG) en aluminio y en

cobre de 2,08 mm2

Capacidad nominal o ajuste del dispositivo de protección contra

sobrecorriente ubicada antes del equipo conductor.

(14 AWG) [8].

TABLA 2.1 Calibre de los conductores para puesta a tierra de equipos y canalizaciones.

Calibre del conductor de puesta a tierra

(AWG o MCM)

Cobre Aluminio

15 14 12

20 14 12

30 12 10

40 10 8

60 10 8

100 8 6

200 6 4

400 4 2

600 2 2/0

800 1/0 3/0

1000 2/0 4/0

1200 3/0 250 MCM

1600 4/0 350 ” “

2000 250 MCM 400 ” “

2500 350 ” “ 500 ” “

3000 400 ” “ 600 ” “

4000 500 ” “ 800 ” “

(35)

Página 25

2.5.1 La conexión a tierra en las instalaciones

Los efectos de la electricidad sobre el cuerpo humano, dependen esencialmente de los siguientes factores:

• La intensidad de corriente.

• El tipo de corriente (continua, a la frecuencia industrial o de 60 Hz, o bien

corrientes de alta frecuencia).

• La trayectoria seguida por la corriente en el cuerpo.

• Las condiciones del individuo en el momento del contacto.

Como se puede observar, algunos de los factores mencionados no son de fácil valoración; por lo que no es posible establecer reglas rigurosas. Como medida orientativa, se pueden elaborar curvas de peligrosidad de la corriente, en donde se relaciona el tiempo de contacto tolerable, en función de la corriente.

(36)

Página 26

2

1

TIEMPO (SEG)

1000 100

10 0.0

0.1 1 10

CORRIENTE (mA)

FIGURA 2.6 Curva de efectos de la corriente eléctrica.

Es conveniente también, hacer notar que la resistencia eléctrica del cuerpo humano, es muy variable (de uno cientos hasta miles de ohms); por lo que los valores de tensión que aplicados al cuerpo humano se consideran peligrosos, se deben definir en forma conservadora. Las instalaciones de puesta a tierra, y el empleo de protecciones adecuadas y coordinadas, constituyen el medio principal para limitar dicha tensión [9].

2.5.2 El tamaño o extensión del sistema de tierras

(37)

Página 27

2.5.3 Control del ruido

El control de ruido incluye a los transitorios de todas las fuentes, esto es donde la conexión a tierra es relacionada con la calidad del servicio eléctrico.

El objetivo primario de la conexión a tierra para el control de ruido es crear un sistema de tierra equipotencial, las diferencias de potencial entre diferentes puntos de tierra pueden producir esfuerzos dieléctricos en los aislamientos, creando corrientes de tierra circulantes en los cables de baja tensión e interferencia con el equipo sensible, que puede ser aterrizado en puntos múltiples. La igualación de las diferencias de tensiones a tierra entre a las partes de un procesador de datos automáticos se hace cuando los equipos conectados a tierra están conectados al punto de tierra de una fuente de alimentación única. Sin embargo, si la longitud de los conductores de tierra es grande, es difícil lograr un potencial constante, particularmente para el ruido de alta frecuencia.

Los equipos de procesadores de datos automáticos y microprocesadores controlados, operan a altas frecuencias (a menudo arriba de los 10 MHz) transfieren datos entre varias partes del equipo a altas frecuencias y bajos niveles de señal. A causa de esto, ellos son muy sensibles al ruido e interferencia.

(38)

Página 28

2.5.4 Conexión a tierra del equipo

Los usuarios de las instalaciones eléctricas, ya sean residenciales, industriales o comerciales, así como para otras instalaciones, como es el caso de hospitales, centros de cómputo, etc., están tocando constantemente el equipo eléctrico, o los equipos que hacen uso de dispositivos eléctricos; como es el caso de herramientas como taladros, soldadoras eléctricas, etc., debido a que los voltajes y corrientes asociados con estos equipos, pueden exceder los valores que el cuerpo humano es capaz de soportar en caso de presentarse alguna falla en los equipos mencionados anteriormente; por lo que es necesario adoptar precauciones especiales para garantizar que el equipo, tenga las condiciones de seguridad requeridas. Y una de ellas es conectando los equipos eléctricos a tierra.

Interruptor de circuito por falla a tierra; dispositivo diseñado para la protección de personas, que funcionan para desenergizar un circuito o parte del mismo, dentro de un periodo determinado, cuando una corriente eléctrica a tierra excede un valor predeterminado, menor que al necesario para accionar el dispositivo de protección contra sobrecorriente del circuito de alimentación [8].

Para comprender los aspectos de la seguridad en las instalaciones eléctricas, se puede comenzar con un sistema básico en baja tensión, monofásico a 127 volts. Consideremos un motor eléctrico que forma parte de un equipo, que está dentro de una cubierta metálica no conectada a tierra. El neutro se encuentra sólidamente conectado a tierra, en el punto de alimentación de la compañía suministradora.

Si una persona toca la cubierta metálica nada sucederá, si la instalación está operando correctamente; pero si por ejemplo, el asilamiento de los devanados

falla, la resistencia Re entre el motor y la cubierta metálica, puede reducir su valor

de varios megohms a solo algunos cientos de ohms o menos; de manera que una

persona con una resistencia RK, puede a completar el circuito cerrando la

(39)

Página 29

Si el valor Re es pequeño (lo cual puede suceder), la corriente IK

M CA Re Rk LINEA NEUTRO S ALIMENTACION 127 V Ik CUBIERTA METALICA Ik Ik Ik puede ser grande y resultar peligrosa, como se muestra en la figura 2.7.

FIGURA 2.7 Sistema no conectado a tierra (peligroso).

La situación potencialmente peligrosa, se puede remediar si se conecta a tierra la cubierta metálica; es decir, en este caso al neutro que se encuentra aterrizado;

ahora la corriente IK

M CA Re Rk LINEA NEUTRO S ALIMENTACION 127 V Ik CUBIERTA METALICA CONEXIÓN A TIERRA Ik

circulará del motor a través de la cubierta, y regresara por el neutro; pero la cubierta permanece al potencial de la tierra, y en consecuencia la persona no sufre ningún efecto, como se muestra en la figura 2.8.

FIGURA 2.8. Conexión a tierra a través del neutro.

(40)

Página 30 M

CA

Re

Rk

LINEA

NEUTRO

S

ALIMENTACION 127 V

Ik

CUBIERTA METALICA

CONEXIÓN A TIERRA

Ik

problema, se acostumbra en algunas instalaciones eléctricas, instalar un tercer conductor llamado “conductor de tierra”, localizado entre la cubierta y la tierra del

sistema como se muestra en la figura 2.9 [9].

FIGURA 2.9 Uso del cable de tierra.

Después de analizar los conceptos básico de puesta a tierra se puede concluir que:

Un transformador debe ser puesto a tierra para:

• Estabilizar el nivel de tensión.

• Protección contra descargas atmosféricas.

• Protección de falla a tierra, en el lado de alta tensión.

La instalación eléctrica debe ser puesta a tierra para:

• Protección contra descargas atmosféricas.

• Protección contra falla a tierra a través del puente de unión principal de los

(41)

Página 31

2.6 SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Las tensiones inducidas en los sistemas eléctricos resultan del potencial existente entre la nube y la tierra. Cuando se rompe el dieléctrico entre la nube y la tierra se desarrollara una corriente de descarga, estas corrientes van desde uno cientos de amperes a más de 50 kA, la duración es rápida del orden de 50 a 100 µs.

Los niveles grandes de corriente asociados a la descarga atmosférica en la tierra crean un volumen ionizante dentro de la tierra (región ionizante). Esta región es de particular importancia en el impacto de la descarga atmosférica sobre los circuitos eléctricos cercanos y/o de los cables conductores.

Las descargas eléctricas entre nubes pueden inducir transitorios en los conductores subterráneos o aéreos.

La proximidad de los equipos y circuitos a un evento de descarga atmosférica pueden producir campos electromagnéticos destructivos a una distancia de 6 a 9 metros, debido a que los voltajes de descarga están entre 5 a 40 kV [7].

Una manera de proteger a los equipos y circuitos eléctricos, así como, al personal, es por medio de los pararrayos y apartarrayos, los cuales se describen a continuación.

2.6.1 Pararrayos y Apartarrayos

Un pararrayo es aquel artefacto que normalmente está, ubicado en lo alto de un edificio o una casa, tiene la función de dirigir al rayo junto con su enorme carga eléctrica hacia la tierra, a través de un cable de bajada a fin de no causar daño, ni a las personas, ni a los equipos eléctricos.

(42)

Página 32

presentes en torno a un conductor no se distribuyen de modo uniforme, sino que se juntan en las partes más afiladas y puntiagudas de éste. De este modo, si un objeto puntiagudo es sometido a una fuerte descarga eléctrica como la que se genera con el rayo proveniente de una nube de tormenta, entonces la carga se acumulará, sobretodo, en las partes puntiagudas del objeto. Este principio fue utilizado por Benjamín Franklin para la construcción del primer pararrayos funcional.

Las nubes que generan los rayos durante una tormenta están cargadas negativamente en su base, y la tierra que se encuentra bajo ellas está cargada de manera positiva debido al efecto de inducción electroestática. De esta forma, las cargas negativas de las nubes de tormenta se repelen entre sí, y son atraídas por la carga positiva de la tierra que se encuentra bajo ellas. Así, debido a que un pararrayos se encuentra conectado a la tierra a través de un cable conductor, sus electrones y los de la nube se repelen y queda cargado positivamente al igual que la tierra bajo la nube.

El apartarrayo limita todas las sobretensiones hasta alcanzar tensiones residuales no peligrosas. Existen sobretensiones en la red eléctrica debido a dos fenómenos: uno es por descarga atmosférica que es un rayo, y los que son ocasionados por maniobras de apertura y cierre de interruptores.

El apartarrayo es un elemento conectado a tierra firmemente que cuando detecta esa sobretension, se rompe su rigidez dieléctrica y drena la corriente a tierra de dicha sobretension porque si dicha sobretension llega a algún equipo como un transformador, lo dañará, y será un peligro para el personal que se encuentre alrededor de la instalación eléctrica.

Los apartarrayos secundarios son dispositivos que brindan protección contra eventos transitorios originados por la conexión y desconexión de cargas o bien por la incidencia de descargas atmosféricas. Los transitorios asocian un pico de

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lo que son eventos que destruyen fácilmente los equipos electrónicos que predominan en las instalaciones de hoy, como computadoras, televisores, sistemas de sonido, hornos de microondas, reproductores de vídeo, etc. [12]

Algunas de las normas de la NOM-001-sede-2005 relacionadas con instalaciones eléctricas (utilización), se presentan a continuación:

Del Artículo 250-42 Las partes metálicas expuestas y no conductoras de corriente eléctrica del equipo fijo que no estén destinadas a transportar corriente y que tengan probabilidad de energizarse, deben ser puestos a tierra.

En el terreno o edificio pueden existir electrodos o sistemas de tierra para equipos de cómputo, pararrayos, telefonía, comunicaciones, subestaciones, apartarrayos, entre otros, y todos deben de conectarse entre sí.

Del Artículo 250-21 La corriente eléctrica indeseable en los conductores de puesta a tierra.

La puesta a tierra de los sistemas eléctricos, circuitos, apartarrayos y elementos metálicos de equipo y materiales que normalmente no conducen corriente, debe realizarse de tal manera que se evite trayectorias que favorezcan la circulación de corrientes indeseables por los conductores de puesta a tierra.

Del Artículo 280 apartarrayos.

(44)

Página 34

2.7 MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA A TIERRA

La NOM-001-sede-2005 permite para los sistemas con un electrodo único que conste de una varilla, tubería o placa, que tiene una resistencia a tierra de 25 ohms o menos.

En la práctica, cuando la resistencia del electrodo único mencionado, excede del valor buscado, esa resistencia se puede reducir de las siguientes maneras:

• Usando un

• Usa

• Poniendo dos, tres o m

2.7.1 Varillas de mayor diámetro

En la figura 2.10 se muestra el comportamiento de la resistencia respecto a diámetro del electrodo.

DIAMETRO EN PULGADAS (IN)

RESISTENCIA EN %

FIGURA 2.10 Curva de resistencia contra diámetro del electrodo.

(45)

Página 35

2.7.2 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 figura 2.11 se muestra la variación de la resistencia contra la longitud del electrodo.

Resistencia en Ohms

Profundidad en Pies

isaisssssseeeeeeeesssssssssssssssssssssssssss s

(46)

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2.7.3 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, porque cada varilla afecta la impedancia del circuito, por los efectos mutuos.

De la NOM-001-SEDE-2005-250-83 dice que la distancia entre ellas o de cualquier electrodo, no debe ser menos de 1,83 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 %.

Es de observar que, muchas varillas cortas tienden a ser más efectivas que unas cuantas largas. Considere como ejemplo, un terreno de resistividad de 1000 ohm-m. Una varilla de 25 cm da una resistencia a tierra de 300 ohohm-m. Dos varillas de 25 cm dan una resistencia de 210 ohm. Esto es, 2/3 de la resistencia.

2.7.4 Electrodos químicos

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.

(47)

Página 37

perderse la concentración original, además de que la varilla como conector están en un ambiente corrosivo con los problemas inherentes.

El relleno ideal debe compactarse fácilmente, ser no corrosivo y a la vez buen conductor eléctrico. La bentonita es este relleno y es aceptada por la

NOM-2005-SEDE-250-83C

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. La baja resistividad de la

bentonita es el resultado del electrolito formado por la adición del agua con, potasio, oxido de calcio, magnesio, y otras sales minerales encontradas en la bentonita que permiten ionizarla formando un fuerte electrolito con un PH de 8 a 10.

Aparte de la bentonita existen otros métodos químicos más. En el primero, en un registro hecho de tubo de albañal, junto a la varilla se colocan unos 30 cm de sulfato de magnesio o de sulfato de cobre, o de compuestos químicos patentados (THOR GEL, GEM, etc.).

Este método es efectivo donde hay poco espacio como en banquetas o estacionamientos.

(48)

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FIGURA 2.12 Electrodo de puesta a tierra con tratamiento químico.

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.

2.8 NATURALEZA DE LAS CORRIENTES TELÚRICAS

Las corrientes telúricas o de tierra son las corrientes eléctricas que se propagan a través de la tierra; pueden ser distinguidas, según su naturaleza eléctrica como sigue:

1. estacionarias (corriente continua);

2. casi estacionarias o alternas lentas (corriente alterna de 50 a 60 Hz);

3. alternas rápidas o de alta frecuencia (utilizadas en las telecomunicaciones), 4. corrientes que se propagan como ondas electromagnéticas de impulso

(49)

Página 39

2.8.1 Orígenes de las corrientes telúricas

Las corrientes telúricas pueden ser causadas por fenómenos naturales, o bien, por el funcionamiento de ciertos sistemas técnicos creados por el hombre, dentro de las primeras se tiene, por ejemplo, a las corrientes que son originadas por cambios variables en el tiempo, las causadas por fenómenos meteorológicos transitorios, así como las excitadas de manera natural dentro de la tierra. Debido a las oscilaciones en el tiempo del campo magnético de la tierra, se inducen en su masa corrientes parasitas a escala global. El campo magnético estacionario en la tierra provoca en las corrientes marinas y otras en similitud al movimiento de conductores corrientes eléctricas unipolares por inducción. Los fenómenos eléctricos transitorios entre la atmosfera y la masa de la tierra originan el establecimiento de corriente eléctrica entre ellas, lo que se manifiesta por medio del rayo durante la tormenta.

Dentro de los sistemas creados por el hombre, en ciertos casos, por razones de operación, y en otros por circunstancias accidentales se derivan corrientes eléctricas hacia el suelo (superficie de la tierra considerada como soporte sobre el cual se mueven los seres vivos o se asientan las cosas), o bien, se utiliza como polo eléctrico.

Dentro de los casos accidentales se puede mencionar al que se origina debido a un defecto de aislamiento en los medios eléctricos de servicio, en los sistemas industriales o en las líneas aéreas de transporte de electricidad.

(50)

Página 40

2.8.2 Importancia y trascendencia de las corrientes telúricas

El hecho de que la tierra conduzca corriente eléctrica es de suma importancia para los sistemas eléctricos que el hombre construye, ya que participa de diversas maneras en el proceso central del sistema particular. Sin embargo, los efectos eléctricos, magnéticos, técnicos y fisiológicos que se originan durante el proceso del traspaso y circulación de la corriente a tierra son también trascendentes; repercuten en la eficiencia y economía del sistema técnico en cuestión, así como en aspectos de seguridad para los seres vivos.

El proceso electroquímico que se presenta en la frontera de dos medios de distinta naturaleza es trascendente en cuanto a que su efecto, la corrosión afecta no solo la longevidad de ciertos elementos de las instalaciones de puesta a tierra, sino también de otros elementos metálicos ubicados en su cercanía, pero, de los procesos naturales que dan lugar a las corrientes telúricas, el relativo a los fenómenos transitorios entre la atmosfera y la tierra es que tiene la mayor trascendencia, pues el resultado de tal proceso puede llegar a ser devastador.

El valor de las intensidades de corriente que se traspasan a tierra puede llegar a varias decenas de kA, además no se puede conocer de antemano la magnitud de la corriente ni el sitio exacto donde sucederá el impacto del rayo. En principio toda clase de estructuras, en particular las metálicas de gran altura, son sitios muy probables de atracción para los rayos. En la práctica se trata de utilizar varias técnicas que provoquen la descarga en ciertos lugares, en donde se pueda controlar en cierta medida sus efectos, los cuales son de naturaleza eléctrica, magnética y térmica.

Figure

FIGURA 2.6 Curva de efectos de la corriente eléctrica.

FIGURA 2.6

Curva de efectos de la corriente eléctrica. p.36
FIGURA 2.11 Curva de resistencia contra longitud del electrodo.

FIGURA 2.11

Curva de resistencia contra longitud del electrodo. p.45
TABLA 2.2  Sensibilidad al paso de electricidad entre las manos; tiempo de permanencia de la corriente: 1 segundo

TABLA 2.2

Sensibilidad al paso de electricidad entre las manos; tiempo de permanencia de la corriente: 1 segundo p.53
TABLA 3.2 La resistividad debido a la corrosión en el suelo.

TABLA 3.2

La resistividad debido a la corrosión en el suelo. p.62
FIGURA 3.2  Variación de la resistividad en función de la temperatura.

FIGURA 3.2

Variación de la resistividad en función de la temperatura. p.65
FIGURA 4.3 Disposición de los electrodos de potencial (P) y de corriente (C).

FIGURA 4.3

Disposición de los electrodos de potencial (P) y de corriente (C). p.73
Figura 4.8 Exposición a Tensión de contacto

Figura 4.8

Exposición a Tensión de contacto p.80
FIGURA 5.1 Partes del telurímetro digital modelo 4630

FIGURA 5.1

Partes del telurímetro digital modelo 4630 p.85
FIGURA 5.2 Diagrama eléctrico del método de los tres puntos (método del 62%).

FIGURA 5.2

Diagrama eléctrico del método de los tres puntos (método del 62%). p.88
FIGURA 5.4 Conexión eléctrica de los electrodos para realizar una medición de resistencia del terreno

FIGURA 5.4

Conexión eléctrica de los electrodos para realizar una medición de resistencia del terreno p.89
FIGURA 5.5 Diagrama físico del método de los cuatro puntos.

FIGURA 5.5

Diagrama físico del método de los cuatro puntos. p.90
FIGURA  5.6 Esquema de conexiones para medir acoplamiento entre dos tomas de tierras.

FIGURA 5.6

Esquema de conexiones para medir acoplamiento entre dos tomas de tierras. p.91
TABLA 5.1 Características funcionales del Telurímetro

TABLA 5.1

Características funcionales del Telurímetro p.92
TABLA 5.3 Resistencia:  Campo de medida de 0 a 2000 Ω

TABLA 5.3

Resistencia: Campo de medida de 0 a 2000 Ω p.93
FIGURA 6.1 Esquema de un sistema de puesta a tierra en un edificio destinado principalmente a viviendas

FIGURA 6.1

Esquema de un sistema de puesta a tierra en un edificio destinado principalmente a viviendas p.95
FIGURA 6.2 Puntos de puesta a tierra

FIGURA 6.2

Puntos de puesta a tierra p.97
FIGURA. 6.3 Elementos a conectar a los puntos de puesta a tierra
FIGURA. 6.3 Elementos a conectar a los puntos de puesta a tierra p.100
Figura 6.4 Conexión de las estructuras metálicas.

Figura 6.4

Conexión de las estructuras metálicas. p.104
FIGURA 6.5 Medición con electrodos auxiliares con bayetas húmedas.

FIGURA 6.5

Medición con electrodos auxiliares con bayetas húmedas. p.105
FIGURA 7.1. Plano del lugar donde se llevaron a cabo las mediciones.

FIGURA 7.1.

Plano del lugar donde se llevaron a cabo las mediciones. p.106
TABLA 7.1  Resultado de las mediciones (medición 1).

TABLA 7.1

Resultado de las mediciones (medición 1). p.107
TABLA 7.2  Resultado de las mediciones (medición 2).

TABLA 7.2

Resultado de las mediciones (medición 2). p.108
FIGURA 7.3 Gráficas obtenidas de la medición 2.

FIGURA 7.3

Gráficas obtenidas de la medición 2. p.108
TABLA 7.3  Resultado de las mediciones (medición 3).

TABLA 7.3

Resultado de las mediciones (medición 3). p.109
FIGURA 7.5 Gráfica obtenida de la medición 1.

FIGURA 7.5

Gráfica obtenida de la medición 1. p.111
TABLA 7.5  Resultado de las medición 2.

TABLA 7.5

Resultado de las medición 2. p.111
FIGURA 7.6 Gráfica obtenida de la medición 2.

FIGURA 7.6

Gráfica obtenida de la medición 2. p.112
FIGURA 7.7 Gráfica obtenida de la medición en el campo de la ENCB.

FIGURA 7.7

Gráfica obtenida de la medición en el campo de la ENCB. p.114
TABLA 7.8 Resultado de las mediciones para el electrodo 1.

TABLA 7.8

Resultado de las mediciones para el electrodo 1. p.115
TABLA 7.15  Resultado de las mediciones para la malla ciclónica.

TABLA 7.15

Resultado de las mediciones para la malla ciclónica. p.119

Referencias

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