Hola como estas, tienes dudas sobre la puesta a tierra? En esta guia te explicaremos brevemente en que consiste una puesta a tierra, para que sirve y cuales son sus aplicaciones. Te invitamos a revisarla y si quedas con alguna duda, contactanos o comenta este blog.
El sistema de puesta a tierra se comporta como si fuese “el alcantarillado” de la red eléctrica, este símil es válido puesto que el sistema “de alcantarillado” (de puesta a tierra) presta el servicio de recolección de “residuos líquidos” (corrientes eléctricas) por medio de “tuberías y conductos” (electrodos y conductores de puesta a tierra), que tiene como finalidad recolectar, conducir y disponer “de aguas residuales y de lluvias” (de corrientes eléctricas indeseables, corrientes de falla y de descargas eléctricas atmosféricas) para evitar que se originen problemas de tipo “sanitario” (eléctrico).
Algunos problemas en el sistema de alcantarillado son equiparables como un símil a fenómenos en el sistema de puesta a tierra, por ejemplo, así como por los sifones del sistema de alcantarillado pueden subir olores indeseables, insectos o roedores e incluso presentarse rebose de sifones, devolviéndose el agua, debido a que las tuberías de conducción se colmaron, también por el sistema de puesta a tierra pueden aparecer corrientes inducidas indeseables (generadas por otros conductores o por rayos) o conducidas debidas a conexiones redundantes o inadecuadas entre neutro y tierra o retorno de corrientes de falla por tierra, además que también pueden aparecer sobretensiones por tierra.
El sistema de puesta a tierra es un medio de protección para evacuar con suficiente capacidad y de forma segura corrientes indeseables, corrientes de falla y otras debidas a descargas eléctricas atmosféricas, con el fin de prevenir afectaciones al ser humano o a equipos eléctricos y electrónicos. Recuerda que puedes conocer mas sobre los beneficios de los sistemas de puesta a tierra capacitivos en https://www.hidrosolta.com/hidrosolta
El sistema de puesta a tierra se puede dividir básicamente en dos grandes bloques, el primero son los conductores que van bajo tierra denominados electrodos de puesta a tierra (cables, varillas flejes, mallas de puesta a tierra, etc.) y el segundo es todo el cableado por encima del suelo que conforma la red equipotencial para conectar a tierra equipos eléctricos, electrónicos, tableros metálicos, platinas o barrajes de puesta a tierra y estructuras metálicas en general.
Los electrodos de puesta a tierra, tienen como función principal y más importante preservar la vida humana ante eventuales fallas eléctricas que puedan inyectar corriente a tierra, de tal forma que la puedan evacuar (dispersar) a tierra con suficiente capacidad (conducir corriente sin fundir el electrodo), evitando la aparición de tensiones de paso, contacto o transferidas peligrosas que superen los umbrales de soportabilidad del ser humano.
Una cantidad importante de trabajadores del sector eléctrico y de telecomunicaciones como lo son técnicos, tecnólogos e ingenieros o fabricantes de equipos eléctricos, electrónicos y de tecnologías de la información, dan gran importancia al valor de la resistencia de puesta a tierra, deseando o exigiendo valores bajos (como por ejemplo máximo 5 Ω e incluso hasta mucho menos), sin tener presente las características eléctricas del suelo como la conductividad y que ante valores muy altos de resistividad, esas resistencias tan bajas no serían técnicamente factibles, ni económicamente viables.
Si bien es deseable un valor bajo de resistencia de puesta porque mitiga las sobretensiones por tierra y facilita la actuación de las protecciones por una eventual falla a tierra (puesto que si el valor es muy alto ante una falla a tierra se podría interpretar como una falla de alta impedancia y por tanto no habría una corriente importante para que la protección la detecte como una falla, entonces no actuaría), una resistencia de puesta a tierra baja ayudaría a mitigar o controlar tensiones transferidas, puesto que el potencial que adquiere es el producto de su resistencia por la corriente a tierra que circule por ella, sin embargo, una resistencia baja no es indicador de que es una puesta a tierra segura para las personas, porque no garantiza el control de las tensiones de paso o contacto admisibles, puesto que a menor resistencia mayor es la corriente que se inyecta a tierra en caso de una falla a tierra. Existen puestas a tierra de valores bajos que no cumplen con el control de tensiones de contacto y de paso, así como existen puestas a tierra de valores altos que si cumplen con el control de las tensiones de contacto y de paso.
Cuando por condiciones de alta resistividad del terreno no se pueda lograr valores bajos de resistencia de puesta a tierra, esto se traducirá en mayores sobretensiones para los equipos y ello se puede contrarrestar con Dispositivos de Protección contra Sobretensiones (DPS´s).
El electrodo de puesta a tierra también sirve de referencia común al sistema eléctrico, incluida la red equipotencial. En telecomunicaciones bajo configuraciones especiales, los electrodos de puesta a tierra también se utilizan como parte de una antena, para transmitir señales de radio en onda media y larga.
Es muy importante tener presente que el control de las tensiones de contacto y de paso en los electrodos de puestas a tierra dependerá de varios factores que se relacionan a continuación:
· Área a proteger
· Resistividad del terreno
· Configuración del electrodo de puesta a tierra (disposición geométrica de los conductores)
· Niveles de corto circuito en el punto de conexión
· Tiempo de duración de la falla
· La existencia o no de una capa superficial de alta resistividad.
La red equipotencial que es el conjunto de todo el cableado de tierra (conductores desnudos o con aislamiento verde o verde con amarillo o marcados con esos colores, incluso correas de puesta a tierra, etc.) está concebida para generar una conexión de baja resistencia con la tierra y procurar uniones equipotenciales con puntos de referencia de los equipos. Es fundamental que el calibre de esos conductores esté bien dimensionados según el calibre de las acometidas y circuitos ramales, nivel de corto circuito, extensión de su recorrido y la función específica a realizar.
Por ejemplo en telecomunicaciones el dimensionamiento del calibre de los conductores de puesta a tierra está fuertemente influenciado por su longitud, puesto que requieren una muy baja impedancia para tratar de equipotencializar los equipos ante corrientes de falla o de descargas eléctricas atmosféricas.
Normalmente en todas las instalaciones eléctricas, la idea es que ante una eventual falla a tierra la corriente sea recolectada y conducida de forma segura por los conductores de puesta a tierra para disiparla en la tierra (sin generar potenciales peligrosos para el ser humano) o proporcionar un camino de retorno de muy baja impedancia a la fuente de alimentación para que la falla sea detectada por las protecciones y actúen rápidamente.
Comúnmente se dice que por los conductores de puesta a tierra bajo condiciones normales no circula corriente, sin embargo la realidad es otra, aún bajo condiciones normales generalmente se encontrarán corrientes por estos conductores y lo ideal es que sea la menor posible; las causas son muy variadas, como por ejemplo debidas a conexiones redundantes (típicas en instalaciones de telecomunicaciones), conectar a tierra en ambos extremos las chaquetas metálicas de cables apantallados, utilizar conductores de neutros como de tierra o utilizar los conductores de tierra como neutros, o por problemas de compatibilidad electromagnética cuando van paralelos en grandes tramos los conductores de puesta a tierra con conductores de potencia generando inducciones de corriente, en especial cuando no se realiza la anulación de campos electromagnéticos por disposición física de los conductores de potencia (Un ejemplo específico entre varios casos puede ser que no se realizó transposición de fases) o tan sencillo que siendo toda la tubería eléctrica metálica, esta se encuentre puesta a tierra y al llegar a una caja metálica de un tomacorriente, esta se conecte nuevamente a tierra con el conductor de tierra del ramal respectivo que lo alimenta, cumpliendo en ambos casos con requerimientos normativos, también pueden aparecer corrientes de fuga debidos a armónicos en la red, etc. Esas corrientes pueden generar ruidos eléctricos y en muchos casos afectar el funcionamiento de algunos equipos sensibles.
La normatividad para sistemas de puesta a tierra es sumamente amplia y depende de la aplicación específica, a continuación se relaciona además del RETIE, algunas normas y otros documentos que son guías o recomendaciones a tener presente como buenas prácticas en el diseño de sistemas de puestas a tierra:
· Artículo 15 del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas – RETIE
· Artículo 250 del Código Eléctrico Colombiano o NTC 2050
· NTC 6307, Sistemas de puesta a tierra (spt)
· ANSI/IEEE SDT 81, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potencials of Ground System.
· ANSI/IEEE STD 80, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding.
· IEEE 1410, Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines
· IEC 60479-1, Effects of current on human beings and livestock - Part 1: General aspects
· IEC 61936-1 Power installations exceeding 1 kV AC and 1,5 kV DC - Part 1: AC
· EEE Std 1100, Powering and Grounding Electronic Equipment
· IEEE Std 142, Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems
· NFPA 77, Recommended Practice on Static Electricity
· ANSI/TIA 607-A (Commercial Building Grounding (Earthing) and Bonding Requirements for Telecommunications)
· ANSI/TIA 607-B (Generic Telecommunications Bondign and Grounding (earthing) for Customer Premises)
· IEC 60909, Short Circuit Currents in three-phases a.c system.
· EPRI, Transmission Line Grounding
· EPRI, Guide for Transmission Line Grounding
Cada reglamento, norma, guía o documento de recomendaciones reconocidas internacionalmente, son un referente para buenas prácticas de diseño, por ejemplo si se quiere diseñar una malla de puesta a tierra, para las medidas de resistividad del terreno se aplica IEEE Std 81, los criterios de seguridad en cuanto a máximas tensiones de contacto y de paso permitidas se pueden tomar de IEEE Std 80 o la IEC 60479-1, el cálculo de la corriente a tierra a partir de la información de niveles de corto circuito se aplica IEC 60909 y finalmente para verificar o comprobar sobre el terreno que lo instalado se comporta como lo diseñado, se realizan medidas de resistencia de puesta a tierra y de tensiones de contacto y de paso, siguiendo los lineamientos establecidos por RETIE y la IEEE Std 81.
Por ejemplo, el diseño de la red equipotencial en instalaciones de comunicaciones como puede ser la de un Data Center, debe tener presente las normas ANSI/TIA 607-A, ANSI/TIA 607-B, EEE Std 1100, IEEE Std 142, como por mencionar algunas.
En Colombia los valores máximos de continuidad eléctrica recomendados en la NTC 6307 de 2018, se muestran a continuación:
· Para una conexión de puesta a tierra: 10 mΩ
· Para un enlace equipotencial: 0.1 Ω
· Entre los puntos extremos de una puesta a tierra: 1.0 Ω
· Entre el barraje equipotencial y la puesta a tierra: 5 mΩ
· Para los conductores bajantes: 0.3 Ω
· Para el conductor de neutro: 0.04 Ω y 1.6 Ω
También existen otros valores máximos de referencia en la medida de continuidad eléctrica establecidos por normas internacionales:
· Según la norma TIA 607-B, el valor máximo recomendado para la resistencia entre cualquier punto de las conexiones a tierra de los equipos de telecomunicaciones o la red equipotencial de puesta a tierra y la puesta a tierra del edificio es 0.1 Ω
· Según la norma IEC 62305-3, la resistencia entre el anillo equipotencializador del sistema de protección contra rayos y el barraje principal de puesta a tierra de la edificación: 0.2 Ω
En el caso de conductores que hacen recorridos largos, la resistencia del conductor debe tenerse en cuenta en la resistencia total (la resistencia del conductor más la resistencia de la conexión). Por ejemplo, 1 km de un conductor No. 3/0 tiene una resistencia de 0.2028 ohmios.
Dentro de las mejores prácticas para conseguir y mantener un buen sistema de puesta a tierra, parte desde su concepción, es decir, desde el diseño siguiendo por su construcción y su posterior mantenimiento predictivo, preventivo y correctivo, todo ello aplicando estrictos conceptos de ingeniería, realizados por profesionales idóneos y cumpliendo los reglamentos técnicos, normas técnicas específicas y demás elementos regulatorios al respecto.
A continuación se muestra dos ejemplos de casos en donde el incumplimiento normativo de puesta a tierra es evidente y que muy seguramente pueden generar condiciones de riesgo tanto a las personas como a los equipos:
Los sistemas de puesta a tierra con el paso de los años se van deteriorando por efectos de la corrosión, daños mecánicos, circulación de corrientes de falla o de descargas eléctricas atmosféricas y degradación de sus conexiones, etc. Por tal motivo se deben hacer actividades de mantenimiento periódico para tomar acciones del tipo preventivas o correctivas según sea el caso.
La red equipotencial también requiere de actividades de mantenimiento como por ejemplo reapriete de tornillería en barrajes y equipos, revisión de conectores y soldaduras, limpieza de platinas o barrajes de puesta a tierra, medición de corrientes por los conductores de puesta a tierra, debido a que con la ampliación de las redes eléctricas por instalación de nuevos equipos, en muchos casos se realizan conexiones inadecuadas a tierra y es ahí donde surgen diversos problemas en los sistemas de puesta a tierra, cuando se mezclan conductores de puesta a tierra de equipos alimentados en DC con puestas a tierra de equipos que funcionan con AC o conectar a mallas de alta frecuencia el positivo de un banco de baterías, o mezclar tierras aisladas con tierras de protección, entre otras situaciones sin tomar en cuenta aspectos de compatibilidad electromagnética.
El RETIE en el numeral 15.6 establece unas directrices al respecto y establece unos periodos de mantenimiento según la tabla 15.5 de ese reglamento y que se muestra a continuación:
Dentro de las actividades de mantenimiento predictivo y preventivo en los sistemas de puesta a tierra está la realización de las siguientes mediciones:
MEDICIÓN DE RESISTENCIA E IMPEDANCIA DE PUESTA A TIERRA: Las mediciones de resistencia de puesta a tierra deben realizarse antes de poner en funcionamiento un sistema eléctrico e incluirlas dentro de las actividades de mantenimiento preventivo para hacerle seguimiento, puesto que su valor es un indicador del estado del sistema de puesta a tierra.
Se habla de impedancia de puesta a tierra cuando en los sistemas de puestas a tierra se vuelve significativa la participación de los componentes inductivos y capacitivos en el comportamiento de la puesta a tierra, como sucede cuando las dimensiones de la mallas son de gran magnitud (cientos de metros o más).
A través de la evaluación de la impedancia, se puede tener una idea sobre el comportamiento de la puesta a tierra ante la inyección de descargas de alta intensidad de corriente y de muy corta duración, características típicas de los rayos.
En baja frecuencia la impedancia de puesta a tierra es esencialmente resistiva en la gran mayoría de los casos y muy frecuentemente las puestas a tierra son concebidas para manejar corrientes de frecuencia industrial, por lo que existe apreciable normatividad al respecto, dentro de la cual se incluyen técnicas de medición de resistencia a tierra separadamente de las de medición de impedancia.
MEDICIÓN DE TENSIONES DE CONTACTO Y DE PASO: La valoración de las condiciones de seguridad en el área cubierta por una malla de puesta a tierra se basa en la medición de las tensiones de contacto y de paso que pueden ser generadas por la inyección de corriente por la malla durante una falla a tierra en el sistema. Según requerimientos establecidos en el numeral 15.3, literal “c” del RETIE, la inyección de corriente para las medidas no debe ser inferior a 50 A.
MEDICIÓN DE CONTINUIDAD POR MÉTODOS DE BAJA Y ALTA CORRIENTE: El propósito de estas pruebas es eliminar riesgos por descargas eléctricas o por condiciones de funcionamiento anormales que pueden surgir debido a corrientes de falla o deterioro de componentes. Las medidas se realizan con el fin de verificar que hay una ruta de baja resistencia para las corrientes de tierra, todos los cables de tierra accesibles deben ser inspeccionados, y aquellos que están enterrados deben ser probados periódicamente.
MEDICIÓN DE CIRCULACIÓN DE CORRIENTES POR TIERRA: Generalmente, en subestaciones de media, alta y extra alta tensión, por la malla de puesta a tierra y por algunos conductores de conexión a tierra, se pueden llegar a presentar corrientes denominadas “corrientes vagabundas”, las cuales pueden generarse por múltiples conexiones a tierra (conexiones redundantes); podrían ser en algunos casos corrientes inducidas, corrientes espurias o ser corrientes que se derivan de la conexión del conductor de neutro a tierra.