REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE LA DEFENSA UNEFA INGENIERÍA TELECOMUNICACIONES 5TO SEMESTRE CÁTEDRA: SE
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE LA DEFENSA UNEFA INGENIERÍA TELECOMUNICACIONES 5TO SEMESTRE CÁTEDRA: SEMINARIO DE TELECOMUNICACIONES
Integrantes: Vásquez Carlos Bianca Chaviel Jonathan Escalante Yohana García Pérez Milagro
Caracas, 07 de julio de 2009 INTRODUCCIÓN
C. I. V-6.897.627 V-11.554.171 V-14.744.715 V-11.313.797 E-82.271.758
La importancia de entender el comportamiento de la electricidad y cuales son sus aplicaciones, hoy en día es un hecho que todas las personas se ven involucradas de cualquier modo con electricidad tanto en sus casas como en el trabajo. De ahí surge la importancia que tiene las protecciones tanto para el hombre como para los aparatos eléctricos. Este trabajo esta enfocado solo a una parte muy importante de las protecciones de electricidad como son las protecciones de puesta a tierra. También se conocerán conceptos básicos como son los términos y lenguaje de ésta parte de la electricidad. Por la importancia de los sistemas de puesta a tierra, es necesario conocer la mayor cantidad de factores que hacen variar la resistencia del sistema. Algunos de estos factores pueden ser: las condiciones climatologicas, estratigrafía, compactación del terreno, características físicas del electrodo de conexión a tierra, etc. Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores sistemas de puesta a tierra y mejores instrumentos que midan las características del terreno en donde se va a instalar un sistema de puesta a tierra. Es muy importante contar con instrumentos de alta precisión para poder entender cual es el comportamiento de la tierra. Por eso este trabajo primero hace una mención de los elementos y la importancia de un sistema de puesta a tierra, así como algunos de los métodos mas usados para poder realizar mediciones de la resistencia del terreno.
CONCEPTOS MANEJADOS EN LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
Conductor de puesta a tierra
conducir con seguridad cualquier corriente
Es aquel que se utiliza para
impuesta.
conectar un equipo o el circuito puesto a tierra de cableado a uno o varios
Electrodo de puesta a tierra
electrodos de puesta a tierra.
Es un cuerpo metálico conductor desnudo que va enterrado y su función es
Conductor de puesta a tierra aislado Es
el
mismo
establecer el contacto con la tierra física.
conduit
o
canalización que los conductores de fase.
Electrodo de puesta a tierra embutido en
El conductor se encuentra aislado de la
concreto
canalización y de todos los puntos de tierra a lo largo del recorrido.
Como
su
nombre
lo
indica
embutido en concreto ubicado dentro y localizado en la parte inferior de la losa de
Conductor de puesta a tierra del equipo
concreto, en contacto directo con el suelo
Es aquel utilizado para conectar elementos no portadores de corriente tales
Estructura de referencia de señales
como canalizaciones y partes metálicas de
Sistema conformado por rutas o
equipos al electrodo de puesta a tierra del
caminos
conductores
entre
equipos
tablero principal o secundario de un
interconectados entre sí con el objeto de
sistema derivado separado.
reducir el ruido y tensiones inducidas a niveles tales que la operación del equipo
Conductor a comprensión
no se vea afectada.
Dispositivo que establece una conexión entre dos o más conductores o
Malla de puesta a tierra
entre uno o más conductores y un
Sistema de
conformado conductores
por
un
terminal, por medio de presión mecánica,
arreglo
desnudos
sin utilizar soldadura.
interconectados entre sí, dispuestos sobre un área específica o enterrado en el suelo.
Conexión equipotencial Unión
partes
conectadas en el perímetro y su interior
trayecto
con el objeto de incrementar la capacidad
eléctricamente conductivo que asegure la
de puesta a tierra y proveer al sistema de
metálicas
para
permanente
Normalmente contiene barras o jabalinas
formar
de un
continuidad eléctrica y la capacidad para
puntos de conexión para equipos y
la tierra todo flujo de corriente no
dispositivos.
deseado. Esta red se puede componer de varias mallas interconectadas.
Protector de sobretensión Equipo que previene la elevación
Resistencia de tierra
de la tensión por encima de un valor predeterminado.
Es la resistencia que nos ofrece el terreno hacia la corriente en un sistema de puesta a tierra, esta resistencia depende de
Puente de conexión equipotencial
la resistividad del terreno y área de los
Conductor confiable que asegura
conductores.
la conductividad eléctrica necesaria entre las partes metálicas que deban estar
Resistividad del terreno
conectadas eléctricamente.
Es la propiedad del terreno que se opone al paso de la corriente eléctrica, la
Puente de unión
resistividad varia de acuerdo a las
Este puente es un conductor que nos
sirve
para
proporcionar
la
conductividad eléctrica entre partes de metal
que
requieren
ser
características del terreno. Ruido eléctrico
conectadas
eléctricamente.
Señales eléctricas inesperadas que producen efectos indeseables en los circuitos de control donde las mismas
Puesta a tierra efectiva
ocurren.
Conexión intencional a tierra de baja impedancia y capacidad de corrientes suficientemente
la
Sistema cableado de un predio
puedan
cuya energía procede de una batería,
provocar riesgos innecesarios a personas o
sistema solar fotovoltaico o de un
a los equipos conectados.
generador, transformador o convertidor y
aparición
de
alta,
para
tensiones
evitar
Sistema derivado independiente
que
que no tiene conexión eléctrica directa con los conductores de alimentación que Red de tierra Es la porción metálica subterránea de un sistema aterrizado que dispara hacia
proceden de otro sistema, incluido el conductor del circuito sólidamente puesto a tierra.
Es un conductor de tierra con Sistema de tierra
aislamiento que se conecta a algún equipo,
Son varios conductores desnudos
este conductor se coloca en la misma
que se interconectan con una o varias
soportería donde se encuentran los cables
mallas o electrodos enterrados.
de energía.
Supresor de picos
Ventana de tierra
No son más que elementos de protección
Sección a través de la cual, todos los
contra sobretensiones transitorias.
conductores de tierra, incluyendo las canalizaciones metálicas, entran en un
Tierra Conexión
área especifica. Usualmente se utiliza en conductora,
intencional
o
sistemas recomunicaciones a través de los
accidental, entre un circuito eléctrico o
cuales el sistema de puesta a tierra del
equipo y la tierra o algún conductor que se
edificio se conecta en un área donde
usa en su lugar.
pudieran no existir conexiones a tierra.
Tierra aislada
SISTEMA PUESTA A TIERRA
Puede ser considerado como la espina dorsal del sistema de seguridad eléctrica. Está compuesto por un conjunto de elementos que permiten vincular con tierra el conductor de protección. Esta toma se realiza mediante electrodos, dispersores, placas, cables, alambres, mallas metálicas, cuya configuración y materiales cumplan con las normas respectivas. Un sistema de puesta a tierra consiste en la conexión de equipos eléctricos y electrónicos a tierra, para evitar que se dañen nuestros equipos en caso de una corriente transitoria peligrosa.
IMPORTANCIA SISTEMA PUESTA A TIERRA
El interruptor diferencial no es suficiente. Cuando una instalación eléctrica no es segura pueden existir fugas de corriente de aparatos defectuosos a través de nuestro cuerpo hacia la tierra. Este pasaje de corriente por nuestro cuerpo produce sensaciones que pueden ir desde un ligero cosquilleo hasta la muerte. La colocación de un interruptor diferencial en la instalación permite interrumpir el flujo de corriente cuando se detecta esta fuga. Pero el interruptor diferencial actúa luego que detecta la fuga de corriente (una vez que ya esta pasando por nuestro cuerpo), por eso, y a pesar que el tiempo de corte sea muy pequeño (lo recomendable es que no supere los 30 seg.) antes que el interruptor diferencial accione, ya hemos recibido la descarga. Una puesta a tierra adecuada (con una resistencia menor a 10 ohms y un conductor de 2,5mm2), permite que cualquier fuga que se produzca busque la tierra como destino en forma inmediata y evitando así una descarga sobre quien, accidentalmente, entre en contacto con un equipo defectuoso. Los fenómenos fisiológicos que produce la corriente eléctrica en el organismo humano dependen del valor de la intensidad de la corriente, tiempo de duración del contacto, callosidad, sexo, estado de epidermis, peso, altura, estado de animo, estado del punto de contacto a tierra. OBJETIVO DE UN SISTEMA PUESTA A TIERRA Brindar seguridad a las personas. Proteger las instalaciones, equipos y bienes en general, al facilitar y garantizar la correcta operación de los dispositivos de protección. Establecer la permanencia, de un potencial de referencia, al estabilizar la tensión eléctrica a tierra, bajo condiciones normales de operación.
ELEMENTOS DE UN SISTEMA PUESTA A TIERRA
Tomas de tierra. Las tomas de tierra están formadas por los siguientes elementos: Electrodos: Los electrodos son elementos metálicos que permanecen en contacto directo con el terreno. Los electrodos estarán construidos con materiales inalterables a la humedad y a la acción química del terreno, es por ello que suelen usar materiales tales como el cobre, el acero galvanizado y el hierro zincado.
Según su estructura, los electrodos pueden ser: Placas: serán placas de cobre o hierro zincado, de al menos 4 mm de grosor, y una superficie útil nunca inferior a 0.5 m2. Se colocarán enterradas en posición vertical, de modo que su arista superior quede, como mínimo, a 50 cm bajo la superficie del terreno. En caso de ser necesarias varias placas, están se colocarán separadas a una distancia de 3 m entre ellas. Picas: pueden estar formadas por tubos de acero zincado de 60 mm de diámetro mínimo, o de cobre de 14 mm de diámetro, y con unas longitudes nunca inferiores a los 2 m. En el caso de ser necesarias varias picas, la distancia entre ellas será, al menos, igual a la longitud.
Conductores enterrados: se usarán cables de cobre desnudo de al menos 35 mm2 de sección, o cables de acero galvanizado de un mínimo de 2.5 mm de diámetro. Estos electrodos deberán enterrarse horizontalmente a una profundidad no inferior a los 50 cm.
Mallas metálicas: formadas por electrodos simples del mismo tipo unidos entre sí y situados bajo tierra. En todos los casos, la sección del electrodo debe ser tal que ofrezca menor resistencia que la el conductor de las líneas principales de tierra. Puesto que la resistencia del electrodo depende de su forma, de sus dimensiones y de la resistividad del terreno. Como la tierra no tiene la misma resistividad en todos los puntos, pueden existir distintos potenciales entre dos placas de metal enterradas. Por eso en un sistema de protección formado por múltiples placas, conectadas entre sí mediante una malla, se pueden originar campos electromagnéticos generados por la corriente de descargas a través del pararrayos y los electrodos de la toma de tierra. Además, con la caída de un rayo en las inmediaciones de un edificio, y fluir la corriente de descarga por la tierra, esta diferencia de potencial entre las tomas de tierra hará que por la malla circule una corriente, que puede crear campos eléctricos y magnéticos que afectarán negativamente a los aparatos electrónicos que se encuentren en el edificio. Para intentar reducir estos efectos, será necesario hacer uso de protecciones secundarias.
Valores de resistividad de algunos materiales NATURALEZA DEL TERRENO Terrenos pantanosos Limo Humus Turba húmeda Arcilla plástica Margas y arcillas compactas Margas del jurásico Arena arcillosa Arena silícea Suelo pedregoso cubierto de césped Suelo pedregoso desnudo Calizas blandas Calizas compactas Calizas agrietadas Pizarras. Rocas de mica y cuarzo Granitos y gres procedente de alteración Granitos y gres muy alterados
RESISTIVIDAD EN OHM*M de algunas unidades a 30 20 a 100 10 a 150 5 a 100 50 100 a 200 30 a 40 50 a 500 200 a 3.000 300 a 500 1500 a 3.000 100 a 300 1000 a 5000 500 a 1000 50 a 300 800 1.500 a 10.000 100 a 600
Valores de resistividad de algunos suelos Naturaleza del terreno Valor medio de la resistividad en Ohm*m Terrenos cultivables y fértiles, terraplenes 50 compactos y húmedos Terraplenes cultivables poco fértiles y terraplenes 500 Suelos pedregosos desnudos, arenas secas 3.000 permeables.
Anillos de enlace. El anillo de enlace con tierra está formado por un conjunto de conductores que unen entre sí los electrodos, así como con los puntos de puesta a tierra. Suelen ser de cobre de al menos 35 mm2 de sección. Punto de puesta a tierra.
Un punto de puesta a tierra es un punto, generalmente situado dentro de una cámara, que sirve de unión entre el anillo de enlace y las líneas principales de tierra. Líneas principales de tierra. Son los conductores que unen al pararrayos con los puntos de puesta a tierra. Por seguridad, deberá haber al menos dos trayectorias (conductores) a tierra por cada pararrayos para asegurar una buena conexión. Así mismo, se deben conectar a los puntos de toma de tierra todas las tuberías metálicas de agua y gas, así como canalones y cubiertas metálicas que pudieran ser alcanzadas por un rayo. Para reducir los efectos inducidos, estos conductores estarán separados un mínimo de 30 m, y cualquier parte metálica del edificio no conductora de corriente estará a un mínimo de 18 m. SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA. Los sistemas eléctricos de potencia, desde el punto de vista de su conexión con respecto a tierra, pueden clasificarse en: Sistemas aislados. Los sistemas aislados no tienen una conexión intencional a tierra. Cabe destacar que la conexión a tierra en sistemas aislados se hace a través de caminos de alta impedancia, como son las capacidades distribuidas de los alimentadores (cables y líneas aéreas) y a través de las impedancias de los pararrayos. La principal característica de este tipo de sistema son las bajísimas corrientes de cortocircuito monofásico que presentan, en caso de existir una falla en el sistema. Por esta razón es necesario disponer de protecciones especiales, muy sensibles que puedan detectar la presencia de una falla monofásica del orden de miliamperes. El retorno de la corriente de falla monofásica en sistemas aislados se produce a través de capacidades distribuidas de los cables y de las líneas. La principal ventaja de estos sistemas, es la
mayor continuidad de servicio que se logra, ya que pueden seguir operando en la presencia de una falla monofásica. Sin embargo, son más las desventajas que presentan los sistemas aislados, razón por la cual son poco utilizados en la actualidad. Desde el punto de vista de la continuidad de servicio, los sistemas aislados no presentan más ventaja que los sistemas aterrizados a través de alta resistencia, con la diferencia que en estos últimos, las tensiones pueden limitarse. Una forma de detectar la existencia de fallas monofásicas en sistemas aislados, es conectando voltímetros entre fase y tierra. Estos dispositivos son capaces de detectar la fase dañada, pero no de ubicar el punto de falla. Sistemas aterrizados. Los sistemas aterrizados se caracterizan por tener el neutro de los transformadores o generadores conectados a tierra. Estos sistemas no presentan el inconveniente de sobretensiones mencionado en el sistema aislado, ya que cuando se produce un cortocircuito monofásico, éste es detectado inmediatamente por las protecciones de sobrecorriente residual y por lo tanto, despejado rápidamente. La conexión a tierra puede realizarse de distintas maneras, distinguiéndose principalmente las siguientes: a) Sólidamente aterrizados. b) Resistencia de bajo valor. c) Resistencia de alto valor. d) Reactor. e) Bobina Petersen. Los sistemas aterrizados, protegen la vida útil de la aislación de motores, transformadores y otros componentes de un sistema. Los sistemas aterrizados, al garantizar una corriente de falla elevada permiten utilizar protecciones rápidas y seguras que despejen las fallas a tierra en un tiempo no mayor a 5 seg. La resistencia del neutro, tiene limitada su capacidad de corriente, definida por el tiempo que dura la corriente que pasa por ella, siendo su máximo de 10 segundos. La
tensión de resistencia corresponde a la tensión entre fase y neutro del sistema. La corriente corresponde al valor de corriente que fluirá por la resistencia durante el cortocircuito con la tensión nominal aplicada. TIPOS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA De acuerdo a su aplicación los sistemas de puesta a tierra son: Puesta a tierra para sistemas eléctricos. Puesta a tierra de los equipos eléctricos. Puesta a tierra en señales electrónicas. Puesta a tierra de protección electrónica Puesta a tierra de protección atmosférica Puesta a tierra para sistemas eléctricos: El propósito de aterrar los sistemas eléctricos es limitar cualquier voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o de contactos no intencionales con cables de voltajes más altos. Esto se realiza mediante un conductor apropiado a la corriente de falla a tierra total del sistema, como parte del sistema eléctrico conectado al planeta tierra. Puesta a tierra de los equipos eléctricos. Su propósito es eliminar los potenciales de toque que pudieran poner en peligro la vida y las propiedades, de forma que operen las protecciones por sobrecorriente de los equipos. Puesta a tierra en señales electrónicas. Para evitar la contaminación con señales en frecuencias diferentes a la deseada. Se logra mediante blindajes de todo tipo conectados a una referencia cero o a tierra.
Puesta a tierra de protección electrónica. Para evitar la destrucción de los elementos semiconductores por sobre voltajes, se colocan dispositivos de protección de forma de limitar los picos de sobré tensión conectados entre los conductores activos y tierra. Puesta a tierra de protección atmosférica. Como su nombre lo indica, se destina para drenar a tierra las corrientes producidas por descargas atmosféricas (RAYOS) sin mayores daños a personas y propiedades. Puesta a tierra de protección electrostática. Sirve para neutralizar las cargas electroestáticas producidas en los materiales dieléctricos. Se logra uniendo todas las partes metálicas y dieléctricas, utilizando el planeta tierra como referencia de voltaje cero. Como pudo apreciar anteriormente cada sistema de tierras debe cerrar únicamente el circuito eléctrico que le corresponde. Puesta a tierra para sistemas eléctricos. Los sistemas eléctricos se conectan a tierra con el fin de limitar la tensión que pudiera aparecer en ellos, por estar expuestos a descargas atmosféricas, por interconexión en casos de fallas con sistemas de conexiones superiores, o bien, para limitar el potencial máximo con respecta a tierra, producto por la tensión nominal del sistema. Este tipo de conexión se denominará Tierra de Servicio. Se conectarán a tierra los elementos de la instalación necesarios como son: a) Los neutros de los transformadores, que lo precisan en instalaciones o redes con neutro a tierra de forma directa o a través de resistencias o bobinas. b) El neutro de los alternadores y otros aparatos o equipos que lo precisen. c) Los circuitos de baja tensión de transformadores de medida.
d) Los limitadores, descargadores, autoválvulas, pararrayos, para eliminación de sobretensiones o descargas atmosféricas. e) Los elementos de derivación a tierra de los seccionadores de puesta a tierra. Puesta a tierra de protección: Es la conexión de los equipos electrónicos a tierra para evitar que la carcasa o cubierta metálica de ellos represente un potencial que pueda significar un peligro para el operario u usuario del equipo. Puesta a Tierra provisoria: Cuando se establece tierra provisoria para trabajar en líneas o equipos, debe tener presente que, en general, las Tierras de tirabuzón o la de las estructuras, son tierra de alta resistencia y, por lo tanto, se producen fuertes elevaciones de potencial al circular corriente en ellas. PROBLEMAS TÍPICOS EN LOS SISTEMAS PUESTA A TIERRA Los problemas más comunes en los sistemas de puesta a tierra son las sobretensiones (provocadas por la caída de rayos, conmutaciones, etc.), microcortes, subidas y bajadas de tensión, caídas de tensión, fallos de suministro y variaciones de frecuencia. Las compañías suministradoras del fluido eléctrico normalmente tienen la misión de controlar el voltaje y frecuencia nominales del suministro. Sin embargo, regularmente la presencia de transitorios de muchos tipos hacen fluctuar los valores medios de éstas. Fluctuaciones lentas de la tensión: Los incrementos o disminuciones graduales en la carga de los sistemas de distribución eléctrica pueden causar cambios graduales de voltaje en intervalos entre 15 segundos a varios minutos. Cambios excesivos causan errores lógicos, daños, degradación de los
componentes y paros imprevistos. Los efectos son normalmente nefastos en áreas rurales, cerca de grandes cargas y en áreas donde el servicio comprende sólo una línea de distribución. La solución comprende normalmente la instalación de un sistema electrónico estabilizador de tensión.
Bajadas y subidas de tensión: La presencia de cargas puntuales como aparatos de aire acondicionado, motores, etc., puede causar cambios en voltaje durante periodos entre 0,1 a 15 segundos. Los estabilizadores son la respuesta más económica a esta problemática. Aproximadamente de un 10 al 15% de todas las perturbaciones son subidas y bajadas de tensión mayores a 0,1 segundos de duración.
Interrupciones del suministro eléctrico: en muchas instalaciones eléctricas de ordenadores y comunicaciones, la pérdida del suministro eléctrico puede ser económica o físicamente catastrófica. La única solución fiable frente a estas pérdidas la constituyen las fuentes de alimentación ininterrumpida. Sobretensión o impulsos de corta duración: Las descargas eléctricas atmosféricas, conmutadores mecánicos, lámparas fluorescentes, soldadores, explosiones nucleares y descargas electrostáticas causan la mayor parte de los problemas eléctricos, y sus tiempos de duración can desde 0,5 nanosegundos a 500 microsegundos, debido a este muy corto tiempo constituyen rápidos cambios de tensión que provocan fallos técnicos, destruyen los componentes electrónicos e rectan falsas señales en los circuitos lógicos. Constituyen un 85 a 90% de las perturbaciones. Cambios de frecuencia: Éstos son raros en las instalaciones urbanas, pero muy comunes en redes eléctricas aisladas que incluyan muchas fuentes alternativas de energía.
CONSECUENCIAS EN SISTEMAS NO PROTEGIDOS Hay cinco consecuencias principales al confiar en la suerte y no instalar sistemas de puesta a tierra. Problemas en operaciones no explicables o sutiles. Pérdida de datos, incluyendo pérdida de ficheros o cambio de datos (con consecuencias potencialmente grandes). Sacudidas eléctricas al personal, provocando la muerte en algunos casos. Pérdida de funciones y paros de sistemas, con grandes consecuencias por el cese en la actividad en la empresa. Pérdida de seguridad frente al potencial en cables metálicos de largas distancias, debido al rato y a las sobretensiones transitorias, siendo por tanto, la fibra óptica una mejor alternativa en niveles de seguridad.
CONCLUSIÓN Al culminar este trabajo llegamos a la conclusión de que todos los sistemas de puesta a tierra tienen como función principal la protección de las personas contra descargas eléctricas producidas por contactos indirectos, sin embargo un cierto conjunto de beneficios adicionales se derivan del hecho de colocar físicamente esta conexión. Entre los beneficios adicionales podemos citar que la continuidad de la operación y el funcionamiento de ciertas cargas con componente mayormente electrónico, mejora sustancialmente como producto de la puesta a tierra, esto debido a que este sistema permite drenar corrientes no deseadas que de otro modo podrían llegar a circular hacia los puertos de entrada o salida de los equipos.
BIBLIOGRAFÍA http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_electrica_y_electronica/sistemadepuesta atierra/default2.asp http://www.gdingenieria.com/Servicios_aterramientos.htm http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe01.html http://books.google.co.ve/books? id=iQ8iYy7RT4gC&pg=PA123&lpg=PA123&dq=sistema+puesta+a+tierra&source= bl&ots=BTNKPpIcct&sig=3PS2YmL7svhE8CNyXfPEvWID4M0&hl=es&ei=_rg_S oSQH5XMMfDtpb0O&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=10 http://www.monografias.com/trabajos68/sistema-puesta-tierra/sistema-puestatierra.shtml