Diseño del sistema de puesta a tierra del centro médico docente La

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
DEL CENTRO MÉDICO DOCENTE LA TRINIDAD
POR:
DIEGO ARMANDO PÉREZ DÍAZ
TUTOR ACADÉMICO: PROF. ALEXANDER BUENO
TUTOR INDUSTRIAL: ING. JOSÉ ARTURO ARENAS
INFORME FINAL DE PASANTÍA
PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
Sartenejas, Febrero 2007.
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
DEL CENTRO MÉDICO DOCENTE LA TRINIDAD
POR:
DIEGO ARMANDO PÉREZ DÍAZ
INFORME FINAL DE PASANTÍA
PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
Sartenejas, Febrero 2007.
DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
DEL CENTRO MEDICO DOCENTE LA TRINIDAD
POR:
DIEGO ARMANDO PÉREZ DÍAZ
RESUMEN
El objetivo principal de este informe final es presentar los requerimientos básicos y criterios de
diseño del sistema de puesta a tierra del Centro Médico Docente La Trinidad. Estos criterios se
fundamentaron principalmente en prácticas recomendadas del IEEE, normas del Código Eléctrico
Nacional y del IEC.
El diseño abarca diversas áreas de la instalación, tales como quirófanos, transformadores, sistema
de respaldo de energía, conjunto de oficinas, centro de datos y el sistema de protección contra
descargas atmosféricas. También se hacen recomendaciones acerca de las previsiones que se deben
tomar, en materia de puesta a tierra, en los diversos cuartos destinados al cuidado de pacientes. El
diseño se basa principalmente en el reconocimiento de los requerimientos de cada área y aplicar los
criterios definidos mediante los documentos anteriormente nombrados.
Además este proyecto involucra el diseño de lo que podría ser considerado la parte más elemental
e importante, como lo es el electrodo, aquí se presentan todas las ecuaciones empleadas y criterios
que llevaron a la selección de la configuración y ubicación del mismo.
Se realizó la ingeniería de detalle representada por planos, esquemas, especificaciones, etc., efectuando selección de conductores, tipos de conexiones y equipos a emplear para lograr un diseño
completo del sistema de puesta a tierra.
iv
AGRADECIMIENTOS
v
DEDICATORIA
A mis padres y hermanos,
que su cariño incondicional me da las fuerzas necesarias
para afrontar y culminar todas mis metas.
vi
ÍNDICE GENERAL
1. INTRODUCCIÓN
1
2. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA
3
3. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
5
3.1. Objeto del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.2. Alcance del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.3. Normas y criterios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3.4. Descripción del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
4. SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
8
4.1. Definición de Sistema de Puesta a Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4.2. Simbología
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4.2.1. Terminal de Tierra (Earth terminal, ground terminal) . . . . . . . . . . . . .
9
4.2.2. Terminal del conductor de protección (Protective conductor terminal) . . . .
9
4.2.3. Terminal de chasis o carcaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
4.2.4. Equipotencialidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.3. Propósito y tipos de sistema de puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.3.1. Puesta a tierra de los sistemas eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.3.2. Puesta a tierra de los equipos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.3.3. Puesta a tierra de señales electrónicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
vii
4.3.4. Puesta a tierra de protección electrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.3.5. Puesta a tierra de protección atmosférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.3.6. Puesta a tierra de protección electrostática . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.4. Componentes Básicos de una Puesta a Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.4.1. Electrodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.4.2. Barras equipotenciales:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
4.4.3. Línea principal de tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.4.4. Línea de enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.4.5. Pararrayos
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.4.6. Descargadores de sobretensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.5. Requisitos de un Sistema de Puesta a Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.6. Etapas del diseño de un Sistema de Puesta a Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.6.1. Determinación de los parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.6.2. Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
4.6.3. Análisis del comportamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
4.6.4. Topología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
4.6.5. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4.7. Factores diseño de los sistemas de puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
5. SEGURIDAD DE PERSONAS
17
5.1. Problema básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
5.2. Condiciones de riesgo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
5.3. Rango de corriente tolerable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
5.3.1. Efecto de la frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
5.3.2. El efecto de la duración y la magnitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
5.3.3. Importancia de eliminar una falla rápidamente . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
5.3.4. Límite de corriente tolerable por el cuerpo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
viii
5.4. Criterio del voltaje tolerable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA
23
26
6.1. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
6.2. Valor de la resistencia de puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
6.3. Electrodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
6.3.1. Electrodos existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
6.3.2. Electrodos intencionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
6.4. Medición de la resistencia de puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
6.4.1. Método de los dos Puntos o dos Polo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
6.4.2. Método de los tres puntos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
6.4.3. Método de la caída de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
7. RESISTIVIDAD DEL TERRENO
41
7.1. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
7.2. Factores que inciden en la resistividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
7.2.1. Sales solubles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
7.2.2. Composición del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
7.2.3. Estratificación del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
7.2.4. Granulometría . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
7.2.5. Estado higrométrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
7.2.6. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
7.2.7. Compactación
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
7.3. Medición de la resistividad del suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
7.3.1. Método de Wenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
7.3.2. Método de Schlumberger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
7.3.3. Perfil de resistividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
ix
7.3.4. Condiciones para las medidas de resistividad del suelo . . . . . . . . . . . . .
8. SISTEMAS DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
49
51
8.1. Descargas atmosféricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
8.2. Origen de las descargas atmosféricas.[6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
8.3. Sistemas de pararrayos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
8.4. Tipos de Pararrayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
8.4.1. Punta Franklin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
8.4.2. Pararrayos Ionizante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
8.4.3. Jaula de Faraday . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
8.5. Determinación del nivel de protección de un sistema de protección contra descargas
atmosféricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
8.6. Diseño del sistema de protección contra descargas atmosféricas . . . . . . . . . . . .
62
8.6.1. Sistema de terminación de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
8.6.2. Sistema de conductores bajantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
8.6.3. Sistema de terminación de tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
9. DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DEL CMDLT
69
9.1. Resistencia objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
9.2. Localización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
9.3. Resistividad del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
9.4. Resistencia de PAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
9.5. Cálculo de la resistencia de puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
9.5.1. Detalles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
9.6. Transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
9.7. Celdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
9.8. Generadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
9.9. Quirófanos
76
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
x
9.10. Sistema de protección contra descargas atmosféricas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
9.10.1. Nivel de Protección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
9.10.2. Sistema de terminación de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
9.10.3. Sistema de conductores bajantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
9.10.4. Sistema de terminación de tierra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
9.11. Data Center y oficinas nivel ingreso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
9.11.1. Data Center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
9.11.2. Computadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
9.11.3. UPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
9.12. Derivación del sistema de puesta a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
9.13. Canalización
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
9.14. Selección del conductor de tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
9.15. Áreas de cuidado de pacientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
9.15.1. Puesta a tierra de las bases de los Tomacorrientes y Equipos Eléctricos Fijos.
89
9.15.2. Tableros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
9.16. Eficiencia del SPAT
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
9.17. Areas de cuidado general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
9.17.1. Tomacorrientes en los sitios de las Camas de los Pacientes. . . . . . . . . . .
90
9.18. Áreas de atención crítica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
9.18.1. Tomacorrientes de puesto de cama de paciente . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
9.18.2. Puesta a tierra e interconexión en la vecindad del paciente . . . . . . . . . . .
91
9.18.3. Puesta a Tierra del Tablero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
9.18.4. Puesta a Tierra de Tomacorrientes Especiales. . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
9.18.5. Eficiencia del SPAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
9.19. Áreas Húmedas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
9.19.1. Técnicas de protección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
xi
9.20. Áreas para anestesia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
9.20.1. Lugares clasificados como peligrosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
9.20.2. Lugares diferentes a los clasificados como peligrosos . . . . . . . . . . . . . .
94
9.20.3. Equipos y puestas a tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
9.20.4. Dentro de locales de anestesia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
9.20.5. Por encima de ambientes de anestesia peligrosos . . . . . . . . . . . . . . . .
95
9.20.6. Diferentes de ambientes de anestesia peligrosa . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
9.21. Instalaciones para Rayos X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
9.21.1. Protección y Puesta a Tierra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
9.22. Pasillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
10.CONCLUSIONES
97
A. Informe del Estudio de la Resistividad del Terreno
101
B. Ubicación del Electrodo de Puesta a Tierra
101
C. Detalles de Puesta a Tierra
105
D. Diagrama unifilar de la USI-II
107
E. Ubicación de los Pararrayos
109
F. Radio de acción de las puntas captadoras
111
G. Diagrama vertical del Sistema de Puesta a Tierra
114
H. Plano de Fuerza de Puesta a Tierra Sótano 3
116
I. Tabla 250-95 CEN
118
xii
ÍNDICE DE TABLAS
I.
Duración de la corriente para fibrilación.[1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
II.
Valores recomendados de resistencia de puesta a tierra según el tipo de instalación.[7] 27
III. Efecto del contenido de sal sobre la resistividad de una muestra de barro arenoso
bajo las mismas condiciones (humedad y temperatura).[10]
. . . . . . . . . . . . . .
42
IV. Valores de resistividad en diferentes tipos de suelo.[10] . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
V.
44
Influencia de la humedad sobre la resistividad de una muestra.[10] . . . . . . . . . .
VI. Efecto de la temperatura sobre la resistividad en una muestra de barro arenoso con
15 % de humedad.[10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
VII. Factor de corrección por uso C1.[11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
VIII. Factor de corrección por tipo de estructura C2.[11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
IX. Factor de corrección por el contenido de la estructura C3.[11] . . . . . . . . . . . . .
59
X.
Factor de corrección por la situación de la estructura C4.[11] . . . . . . . . . . . . .
59
XI. Factor de corrección por tipo de terreno C5.[11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
XII. Eficiencia del SPDA de acuerdo al Nivel de Protección seleccionado.[11] . . . . . . .
62
XIII. Parámetros de acuerdo a los Niveles de Protección seleccionados para el SPDA.[12] .
63
XIV. Radio la esfera de atracción según el nivel de protección.[12] . . . . . . . . . . . . . .
64
XV. Dimensiones de la malla según el nivel de protección . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
xiii
XVI. Calibre de los conductores bajantes de acuerdo a la norma IEC 61024-1 para todos
los niveles de protección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
XVII.Distancia Promedio de los conductores bajantes de acuerdo al Nivel de Protección
seleccionado para el SPDA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
XVIII.
Estudio de la resistividad del terreno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
xiv
ÍNDICE DE FIGURAS
1.
Símbolo IEC 417, No. 5017.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.
Símbolo IEC 417, No. 5020.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.
Símbolo IEC 417, No. 5019.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
4.
Símbolo IEC 417, No. 5021.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
5.
Componentes de un SPAT.[4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
6.
Corriente de fibrilación vs. el peso corporal para diferentes animales. Basado en el
golpe eléctrico durante tres segundos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
7.
Voltaje de Paso [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
8.
Voltaje de Toque [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
9.
Instalación de una varilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
10.
Varilla Chem-Rod colocada en la tierra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
11.
Método de los dos puntos.[17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
12.
Método de la caída de tensión.[17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
13.
Método de Wenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
14.
Método de Schlumberger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
15.
Perfil de resistividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
16.
Componentes de un sistema de pararrayos.[11]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
17.
Punta Franklin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
xv
18.
Pararrayos Ionizante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
19.
Área equivalente de la estructura a proteger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
20.
Espacio protegido por el Sistema de Terminación de Aire formado por un solo mástil. 63
21.
Aplicación del método de la esfera rodante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
22.
Aplicación del método de mallas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
23.
Ubicación propuesta del electrodo de tierra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
24.
Dimensiones del área propuesta para la instalación del electrodo. . . . . . . . . . . .
70
25.
Configuración del electrodo de tierra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
26.
Sistema de transferencia del sistema de respaldo. [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
27.
Suelo conductivo para quirófano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
28.
Mapa Isoceráunico de Venezuela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
29.
Aplicación del método de las esferas rodantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
30.
Ubicación de los pararrayos y el área de protección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
31.
Malla de tierra de referencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
32.
Tierra aislada (IG) para computadoras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
33.
Tierra aislada (IG) para computadoras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
34.
Receptáculos tipo IG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
35.
Conexión del UPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
xvi
TABLA DE ABREVIATURAS Y
SÍMBOLOS
Ω
AWG
BIL
CEN
cm
CMDLT
CPR
FGB
GCFI
GND
GPR
Hz
I
IEC
IEEE
IG
kg
kV
m
mA
MGB
msnm
PAT
PC
RP AT
SPDA
SPT
us
UPS
USI II
V
Ohmios
American Wire Gauge (Sistema de Calibres Americano)
Nivel básico de aislamiento
Código eléctrico nacional
Centímetros
Centro Médico Docente La Trinidad
Respiración cardiovascular asistida
Barra secundaria de tierra
Interruptor de falla a tierra
Tierra
Elevación del potencial de tierra
Hertz
Corriente
Comisión Electrotécnica Internacional
Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos
Tierra aislada
Kilogramos
Kilovoltio
Metros
miliamper
Barra maestra de tierra
Metros sobre el nivel del mar
Puesta a Tierra
Computadora personal
Resistencia de puesta a tierra
Sistema de protección contra descargas atmosféricas
Sistema de Puesta a tierra
Microsegundos
Sistema de alimentación ininterrumpida
Unidad Santa Inés II
Voltio
xvii
Capítulo 1
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de puesta a tierra son componentes cada vez más importantes en los sistemas
eléctricos, puesto que deben permitir la conducción hacia el suelo cargas originadas por descargas
atmosféricas, electricidad estática o fallas del sistema y así garantizar la seguridad de personas y
equipos.
Los procedimientos para diseñar sistemas de tierras se basan en conceptos tradicionales, pero
su aplicación puede ser muy compleja. Los conceptos son ciencia, pero la aplicación correcta es un
arte, ya que cada instalación es única en su localización, tipo de suelo, y equipos a proteger.
En este informe se presentarán los fundamentos teóricos relacionados a todos los elementos que
conforman el sistemas de puesta a tierra. También se propondrá un diseño del sistema de puesta a
tierra del Centro Médico Docente La Trinidad, ésta sección del informe contendrá los criterios del
diseño (normas, códigos y prácticas recomendadas) así como el cálculo y ecuaciones empleadas para
soportar el mismo.
El Centro Médico Docente La Trinidad se caracteriza por ser una carga muy diversificada, por lo
cual es necesario un enfoque distinto para ciertas partes de la instalación, por ejemplo; quirófanos,
sistemas de respaldo de energía, centro de transformación, oficinas, centro de comunicaciones, son
todas cargas muy diferentes y el enfoque del diseño de la puesta a tierra debe ser muy distintos
para cada uno. Un aspecto que es sumamente importante es a quien está destinada la instalación,
en el caso de quirófanos y salas de cuidados se deben diseñar con suma precaución ya que está en
juego la vida del paciente.
1
2
El informe presentará en su inicio una breve descripción de la empresa y del proyecto desarrollado, así como los fundamentos teóricos básicos sobre los sistemas de puesta a tierra. Esta sección
sobre los fundamentos teóricos abarcará temas sobre los electrodos, efecto de la corriente sobre el
cuerpo humano, resistencia de puesta a tierra, resistividad del terreno y por último se presenta un
breve estudio sobre el origen de las descargas atmosféricas y los sistema de protección contra este
tipo de descargas. Para concluir el informe se presenta el diseño del sistema de puesta a tierra del
Centro Médico Docente La Trinidad y además un conjunto de conclusiones y recomendaciones sobre
el proyecto.
Capítulo 2
DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA
Arturo Arenas y Asociados.
El surgimiento de esta empresa, tiene su origen en la voluntad, propósito y visión de su fundador
quien deposita su fe en lo que conocemos como la libre empresa y su desenvolvimiento en el mercado
y la competencia. Se trata del Ingeniero Arturo Arenas, graduado en el año 1973 en la Universidad
de Carabobo como Ingeniero Electricista. Comienza con una labor gerencial en la empresa CADAFE
y continúa al frente de la Gerencia de Obras de la empresa Proyelec, C.A.
Posteriormente, se dispone en sociedad con otros colegas, a dar los pasos iniciales para conformar
una compañía anónima dedicada a la construcción en general. En el año 1978 la diversidad de
criterios de cómo gerenciar una empresa pequeña produjo su desincorporación de la misma, de
esta forma tuvo la oportunidad de relanzar su proyecto en compañía de un colega y compañero de
estudios con quien intentaría incursionar en el área de las Instalaciones y Proyectos Eléctricos.
Las diversas empresas fundadas en el período 1980 - 1989 fueron exitosas y permitieron acumular conocimientos y experiencia, no sólo en el área técnica, sino en otros aspectos fundamentales,
como las finanzas y el análisis permanente de la situación política, que permitió tomar decisiones
oportunas para el manejo de las diversas crisis que a lo largo de estos años se han presentado (1983
- 1989 - 1994 - 1996 - 1999).
A partir del año 1989, disuelta la sociedad anterior, el Ingeniero Arturo Arenas pasa a liderar
sus empresas de manera absoluta, evita desviar esfuerzos hacia áreas que no sean la Electricidad
y pasa a definir lo que a grandes rasgos es su objetivo fundamental, transformar una empresa de
3
4
Instalaciones Eléctricas en una empresa de Ingeniería Eléctrica. Esta transformación viene dada
por una necesidad de dar respuesta a un mercado de nuevas tecnologías y múltiples exigencias: las
asesorías para la construcción de Centros Comerciales, estudios de Ahorro Energético, Sistemas de
Autogeneración y Cogeneración, Instalaciones y Proyectos en Alta y Baja Tensión.
Para ello fue necesario consolidar un equipo de profesionales, técnicos y obreros calificados,
además de una estructura administrativa para dar respuesta logística y financiera a la altura de
obras y proyectos de envergadura. De allí las necesidades de organizar varias empresas, el personal
técnico y profesional de acuerdo con sus actividades: Instalaciones, Estudios y Proyectos.
En la actualidad la calidad técnica y el soporte financiero han permitido obtener el prestigio
alcanzado hasta el momento. Unos 2130 proyectos aproximadamente, le dan al Ingeniero Arturo
Arenas y las empresas que dirige una sólida posición en el mercado y un aval para continuar su
crecimiento y el cumplimiento de sus objetivos.
Capítulo 3
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
3.1.
Objeto del Proyecto
Realizar el diseño del sistema de puesta a tierra de las instalaciones del Centro Médico Docente
La Trinidad, ubicado en el sureste de Caracas, Distrito Capital, basándose en las normas establecidas
en el Código Eléctrico Nacional, IEC y prácticas recomendadas del IEEE.
3.2.
Alcance del Proyecto
Para lograr el objetivo descrito anteriormente se cumplió con el desarrollo de las siguientes fases:
Fundamentación teórica sobre los sistemas de puesta a tierra.
Revisión de las normas, códigos y prácticas relacionadas con el tema.
Estudio de las instalaciones del Centro Médico Docente La Trinidad.
Diseño del electrodo de puesta a tierra.
Diseño del sistema de protección de descargas atmosféricas.
Diseño de la puesta a tierra de referencia de oficinas y DataCenter.
Diseño de la puesta a tierra de quirófanos.
5
6
Especificación de la puesta a tierra del centro de transformación y del sistema de respaldo de
energía.
Especificación de las conexiones en las distintas salas del CMDLT.
Digitalización de planos, diagramas y detalles que representen las instalaciones eléctricas diseñadas.
3.3.
Normas y criterios
Los criterios adoptados para la elaboración de este proyecto se fundamentan en los requerimientos aplicables del Código Eléctrico Nacional e IEC, así como las prácticas recomendadas del IEEE.
Todas las ecuaciones aplicadas en este proyecto fueron extraídas de los documentos anteriormente
mencionados.
De acuerdo a lo expuesto anteriormente, se ha tratado de ejecutar un proyecto que reúna las
condiciones normales de seguridad, confiabilidad, flexibilidad y sencillez, aplicables para este tipo
de obra.
3.4.
Descripción del Proyecto
El Centro Médico Docente La Trinidad está ubicado en la Avenida Intercomunal La Trinidad-El
Hatillo en el sureste de la ciudad de Caracas, el cuál presta servicios de excelencia de asistencia
médica integral con énfasis en la prevención, diagnóstico y tratamiento.
En la actualidad se está llevando a cabo un proyecto de expansión de las instalaciones del Centro
Médico Docente la Trinidad, La Torre de Hospitalización, o su nombre final La Unidad Santa Inés-II.
La Unidad Santa Inés II (USI II) con un área de construcción de 40,165m2 y un máximo de
240 camas de hospitalización, dotada de la más avanzada tecnología, es la etapa más importante en
el desarrollo del complejo que construye el Centro Médico Docente La Trinidad. Con su puesta en
servicio se cuadriplicará la capacidad asistencial, actualmente es aproximadamente 32.000 pacientes
por mes, construida esta etapa aumentará la capacidad, con lo cual se reforzarán los servicios
ambulatorios y diagnósticos ampliando la consulta que actualmente se lleva a cabo en los edificios
7
existentes. También cuenta con el Auditorio “José María Vargas” con capacidad para 150 personas.
La necesidad de garantizar protección y seguridad está estrechamente relacionado con el diseño
de las instalaciones eléctricas de la edificación. Un buen diseño de las instalaciones eléctricas requiere
un estudio profundo del sistema de puesta a tierra.
El proyecto de las instalaciones eléctricas fue realizado por Arturo Arenas & Asociados, pero
la necesidad de proporcionar un mejor y más seguro diseño, debido a la naturaleza del proyecto,
lleva a la empresa a replantear el sistema de puesta a tierra de la instalación. Requiriendo un diseño
completo, que abarcara todos los elementos del proyecto, basado en normas, códigos y prácticas
recomendadas por institutos tanto nacionales como internacionales.
El diseño de este sistema de puesta a tierra presenta una dificultad añadida, ya que el proyecto
no es desarrollado a la par del proyecto de instalaciones y las construcciones ya están iniciadas, por
lo cual es necesario adaptar el diseño a las obras ya culminadas.
Capítulo 4
SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
4.1.
Definición de Sistema de Puesta a Tierra
El sistema de puesta a tierra (SPT) o “grounding” system es el conjunto de conductores, sin
interruptores ni fusibles, por medio de los cuales se pone en contacto eléctrico los equipos presentes
en una instalación y el sistema eléctrico con el suelo, los cuales ofrecen un camino de retorno de
baja impedancia para las corrientes de fuga y de falla.[1]
La puesta a tierra de los sistemas y conductores del circuito se hace con el fin de limitar las
tensiones debidas a descargas atmosféricas, fallas a tierra, sobretensiones transitorias de línea o
contactos accidentales con líneas de alto voltaje, así como estabilizar la tensión durante condiciones
normales de operación. El sistema de puesta a tierra de los equipos de una instalación es conectado
a un conductor puesto a tierra con el fin de proveer un camino de baja impedancia para corrientes
de falla a tierra, de modo tal que facilite la correcta operación de los dispositivos de protección
contra sobrecorriente, en casos de fallas a tierra. [2]
4.2.
Simbología
El símbolo usado para identificar la puesta a tierra según la IEC puede variar según la finalidad
de la puesta a tierra, a continuación se presentan las distintas simbologías y su significado.
8
9
4.2.1.
Terminal de Tierra (Earth terminal, ground terminal)
Usado principalmente para terminales de tierra funcional los cuales están generalmente asociados
a circuitos de prueba y medición. Estos terminales no son para puestas a tierra de seguridad pero
proveen un punto de referencia de tierra.
Figura 1: Símbolo IEC 417, No. 5017.[3]
4.2.2.
Terminal del conductor de protección (Protective conductor terminal)
Este símbolo está específicamente reservado para el terminal de puesta a tierra de protección y
no otro. Está ubicado en el punto de puesta a tierra de los equipos y es obligatorio su especificación
para todos los equipos.
Figura 2: Símbolo IEC 417, No. 5020.[3]
4.2.3.
Terminal de chasis o carcaza
Es usado para identificar puntos que no son los de puesta a tierra de protección y funcional,
en los cuales existe un punto de conexión accesible a partes conductores y alerta del uso de una
conexión al chasis del equipo.
Figura 3: Símbolo IEC 417, No. 5019.[3]
10
4.2.4.
Equipotencialidad
Usado en aplicaciones donde es importante indicar al operador que dos o más puntos de tierra
funcional son equipotenciales.
Figura 4: Símbolo IEC 417, No. 5021.[3]
4.3.
Propósito y tipos de sistema de puesta a tierra
Para la comprensión de las distintas aplicaciones de los sistemas de puesta a tierra estos se han
clasificado según su propósito, como se presenta a continuación:
4.3.1.
Puesta a tierra de los sistemas eléctricos
El propósito de poner a tierra los sistemas eléctricos es para limitar cualquier voltaje elevado
que pueda resultar de descargas atmosféricas, fenómenos de inducción o, de contactos no intencionales con cables de voltajes más altos. Se logra uniendo mediante un conductor (apropiado a la
corriente de falla a tierra total del sistema) el neutro del sistema eléctrico a tierra.
4.3.2.
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 y para que operen las protecciones por sobrecorriente de los equipos. Se logra conectando
al punto de conexión del sistema eléctrico con el planeta tierra, todas las partes metálicas que pueden
llegar a energizarse, mediante un conductor apropiado a la corriente de corto circuito del propio
sistema en el punto en cuestión.
11
4.3.3.
Puesta a tierra de 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, que puede ser el plano de tierra.
4.3.4.
Puesta a tierra de protección electrónica
Para evitar la destrucción de los elementos semiconductores por sobretensiones, se colocan dispositivos de protección conectados entre los conductores activos y la referencia cero, que puede ser
la tierra.
4.3.5.
Puesta a tierra de protección atmosférica
Sirve para canalizar la energía provenientes de las descargas atmosféricas a tierra sin mayores
daños a personas y propiedades.
4.3.6.
Puesta a tierra de protección electrostática
Sirve para neutralizar las cargas electrostáticas producidas en los materiales dieléctricos. Se logra
uniendo todas las partes metálicas y dieléctricas, utilizando la tierra como referencia de voltaje cero.
4.4.
Componentes Básicos de una Puesta a Tierra
Las distintas partes que componen un sistema de puesta a tierra están identificadas en la figura 5
A continuación se explicarán cada una de las partes identificadas.
4.4.1.
Electrodo
Es un conductor o conjunto de utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un
circuito, en este caso la tierra.
Electrodo del sistema de potencia: Es el encargado de conectar a tierra todos los conductores
de tierra de la instalación, indirectamente se conectarán a este electrodo: equipos, transformadores, canalizaciones, neutro del sistema, etc.
12
Figura 5: Componentes de un SPAT.[4]
Electrodo del sistema de protección ante descargas atmosféricas: Es el encargado de drenar a
tierra toda o gran parte de la corriente proveniente de la descarga atmosférica y así disminuir
la corriente que circula por el electrodo del sistema de potencia.
4.4.2.
Barras equipotenciales:
Son barras colectoras en las cuales se conecta todo lo que vaya a tierra.
MGB o barra maestra de tierra: Es la primera barra colectora que ve el sistema de puesta
a tierra. Es la encargada de conectar las líneas principales de tierra de la instalación y el
electrodo de puesta a tierra. A dicha barra llegan diversos equipos de gran importancia y las
FGB.
FGB o barra secundaria de tierra: Es la barra por medio la cual se derivan las conexiones a
tierra hacia los distintos equipos que se encuentran en la instalación.
13
4.4.3.
Línea principal de tierra
Es el conductor que une las FGB con las MGB.
4.4.4.
Línea de enlace
Es el conductor que interconecta los distintos electrodos del sistema de puesta a tierra directa o
indirectamente. Esto se realiza para garantizar equipotencialidad en toda la instalación.
4.4.5.
Pararrayos
Es un dispositivo cuyo objetivo es atraer un rayo y canalizar la descarga eléctrica hacia tierra,
de modo tal que no cause daños a construcciones o personas.[6]
4.4.6.
Descargadores de sobretensión
Son los encargados de llevar a tierra las corrientes producto de las sobretensiones y así disminuir
la magnitud de las sobretensiones y su efecto sobre los equipos.
4.5.
Requisitos de un Sistema de Puesta a Tierra
Para el eficiente funcionamiento de un sistema de puesta a tierra, éste debe reunir las siguientes
cualidades:
Valor de la resistencia adecuado para cada tipo de instalación.
Debe garantizar condiciones de seguridad a los seres vivos.
La variación de la resistencia debida a cambios ambientales debe ser mínima.
Su vida útil debe ser mayor a 20 años.
Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas.
Alta capacidad de conducción y disipación de corriente.
Evitar ruidos eléctricos.
14
Debe ser resistente a la corrosión.
Su costo deber el menor posible sin comprometer la seguridad.
Facilidad de mantenimiento y medición.
Cumplir normas y especificaciones requeridas.
4.6.
Etapas del diseño de un Sistema de Puesta a Tierra
Para diseñar un sistema de puesta a tierra de alta calidad es necesario cumplir con las siguientes
etapas.
4.6.1.
Determinación de los parámetros
Esta etapa comprende el estudio del terreno, ambiente y del sistema eléctrico para el cual se
diseña cualquier sistema de puesta a tierra. A continuación se definirán los diferentes pasos que se
deben realizar en esta etapa.[4]
1. Definir la resistencia de puesta a tierra deseada.
2. Establecer las tensiones de seguridad permitidas.
3. Definir temperaturas máxima y ambiente.
4. Calcular la máxima corriente de falla a tierra.
5. Definir el máximo tiempo de despeje de la falla.
6. Obtener valores del nivel de aislamiento (BIL) de equipos.
7. Revisión de planos de la instalación.
8. Determinar área disponible.
9. Estudio de la resistividad del terreno.
10. Estudio del riesgo de descargas atmosféricas.
15
4.6.2.
Diseño
En la etapa de diseño se procederá a la determinación y cálculo de los electrodos y conductores
necesarios en el sistema de puesta a tierra. Se llevarán a cabo los siguientes pasos:
1. Recopilar las normas y programas necesarios.
2. Definir geometría del sistema de puesta a tierra.
3. Elegir tipo de electrodo.
4. Definir profundidad de enterramiento.
5. Escoger material y resistividad de la capa superficial.
6. Definir tamaño de la retícula si es malla.
7. Calcular calibre y longitud del conductor.
8. Calcular resistencia de puesta a tierra.
9. Ajustar valores.
4.6.3.
Análisis del comportamiento
En esta etapa se estudia todo lo respecto a la seguridad del sistema.
1. Calcular tensiones de seguridad.
2. Calcular el GPR (máxima tensión de la malla respecto a una tierra remota).
3. Confrontar valores respecto a las especificaciones.
4.6.4.
Topología
En esta etapa se establece todo lo relacionado a la ubicación de los conductores y derivaciones
pertinenetes
1. Ubicar cajas de inspección.
16
2. Definir rutas de cables.
3. Ubicar barrajes equipotenciales.
4. Interconectar con otros sistemas de puesta a tierra.
4.6.5.
Materiales
Aquí se definen todos los elementos y equipos a usar. Este etapa incluye especificaciones y costos.
1. Hacer listado de materiales.
2. Valorar materiales básicos y accesorios, equipos, herramientas.
3. Elaborar presupuesto.
4.7.
Factores diseño de los sistemas de puesta a tierra
Las principales variables que juegan papel en el diseño de un sistema de puesta son los siguientes:
Características del sistema: Esta variable incluye aspectos como tipo de carga, equipos a proteger, así como la corriente de falla a tierra. Es importante ya que basados en estos debemos
garantizar el buen desempeño del sistema de puesta a tierra asegurando seguridad para equipos
y principalmente para las personas.
Resistencia de puesta a tierra: esta variable determina la elevación del potencial del sistema
de puesta a tierra y es importante para garantizar seguridad en el sistema.
Resistividad del terreno: esta variable es un factor determinante en el resultado de la resistencia de puesta a tierra, así como la geometría empleada para la misma.
Capítulo 5
SEGURIDAD DE PERSONAS
5.1.
Problema básico
En principio, un diseño seguro de un sistema de puesta a tierra, según el standard IEEE 80-2000
[1], tiene los objetivos siguientes:
Proveer los medios para conducir corrientes eléctricas hacia la tierra bajo condiciones normales
y de fallas, sin exceder el límite de los equipos y cualquier otra operación ó que afecten
severamente la continuidad del servicio.
Asegurar que una persona no esté expuesta a los peligros de electrocución en las cercanías de
una instalación puesta a tierra.
Frecuentemente las personas asumen que cualquier objeto puesto a tierra se puede tocar con
toda seguridad. Una subestación con resistencia baja a tierra no es, en sí misma, una garantía de
seguridad. Esto no es simplemente una relación entre la resistencia del sistema de tierra como un
todo y la corriente máxima al que una persona se puede exponer. Por lo tanto, una subestación
de resistencia a tierra relativamente baja puede ser peligrosa, mientras que otra subestación con
resistencia muy alta puede ser segura ó se puede hacer segura con un diseño adecuado.
Es importante el estudio de la geometría, localización de electrodos de tierra, características
del suelo local, y otros factores ya que pueden contribuir a un gradiente de potencial excesivo
en la superficie terrestre, dicho sistema de puesta a tierra puede ser inadecuado a pesar de su
17
18
capacidad para transportar la corriente de falla en magnitudes y duraciones permitidas por los relés
de protección.
5.2.
Condiciones de riesgo
A no ser que se tomen las precauciones apropiadas en el diseño, el gradiente de potencial máximo
a lo largo de la superficie terrestre puede ser de magnitud suficiente, durante las condiciones de falla
a tierra para poner en peligro a una persona en el área. Además, los voltajes peligrosos se pueden
generar entre estructuras puestas a tierra ó en el chasis de los equipos y la tierra cercana.
Las circunstancias que hacen posibles los accidentes de choque eléctrico son las siguientes:
1. Relativamente, la corriente alta de falla a tierra está en relación con el área del sistema de
tierra y su resistencia a la tierra remota.
2. La resistividad del suelo y la distribución de corrientes a tierra, es tal que, un alto gradiente
de potencial podría ocurrir en puntos de la superficie terrestre.
3. La presencia de un individuo en un punto, tiempo y posición tal, que el cuerpo este uniendo
dos puntos de alta diferencia de potencial.
4. La falta de resistencias suficientes de contacto o resistencias en serie que limiten la corriente
a través del cuerpo, a un valor seguro.
5. La duración de la falla y el contacto del cuerpo; consecuentemente el flujo de la corriente a
través del cuerpo por un tiempo suficiente puede causar daños a una intensidad de corriente
dada.
La poca frecuencia de accidentes se debe, en gran parte, a la baja probabilidad de coincidencia
de todas las condiciones perjudiciales descritas anteriormente.
5.3.
Rango de corriente tolerable
Los efectos de una corriente eléctrica que circula a través de las partes vitales del cuerpo humano
dependen de la duración, magnitud y frecuencia de la misma. Al exponerse, la consecuencia más
19
peligrosa, es: la fibrilación Ventricular, que consiste en la restricción inmediata de la circulación
sanguínea.
5.3.1.
Efecto de la frecuencia
Los seres humanos son muy vulnerables a los efectos de la corriente eléctrica, en las frecuencias
de 50 ó 60 Hz. Las corrientes, cerca de 0.1 amperio pueden ser mortales. Las investigaciones indican
que el cuerpo humano puede soportar una corriente un poco mayor a 25 Hz y en corriente directa
5 veces más grande. Curiosamente, algunos investigadores afirman que corrientes más altas pueden
soportarse a frecuencias comprendidas entre los 3,000 a 10,000 Hz. Es importante mencionar que
en algunos casos el cuerpo humano es capaz de tolerar corrientes muy altas, debido a descargas
eléctricas.
5.3.2.
El efecto de la duración y la magnitud
Los efectos fisiológicos de la corriente eléctrica en el cuerpo establecidos en orden de incremento
de la magnitud de corriente son: el umbral de percepción, contracción muscular, insensibilidad,
fibrilación del corazón, obstrucción del nervio respiratorio y quemaduras.
La corriente de 1 mA se reconoce generalmente como el umbral de percepción; que es, la magnitud
de corriente en la cual una persona es capaz de sentir una sensación suave de hormigueo en sus manos
o dedos, causado por la corriente que circula por su cuerpo en ese momento.
Las corrientes de 1 a 6 mA, se catalogan a menudo como corrientes de soltura (liberación)
Aun cuando son desagradables de soportar, generalmente no daña la habilidad de una persona en
controlar sus músculos para liberar un objeto energizado que este sosteniendo.
Corrientes comprendidas en el rango de los 9 a 25 mA, son dolorosas y es casi imposible liberar
objetos energizados sujetados con la mano. Debido a las corrientes elevadas, las contracciones musculares dificultan la respiración. Este efecto no es permanente y desaparece cuando se interrumpe el
flujo de corriente, a menos que la contracción sea muy severa y obstruya la respiración por minutos
en lugar de segundos será necesaria aplicar la resucitación artificial (primeros auxilios).
Hasta que el valor de la corriente se encuentre en el rango de los 60 a 100mA, la fibrilación
ventricular, el paro del corazón ó la abstención de respiración, podría causar algún daño o la muerte,
20
por lo cual es necesario suministrar respiración cardiopulmonar (CPR) a la víctima hasta que pueda
ser atendida en una instalación médica.
Por consiguiente, es de suma importancia limitar las corrientes al umbral de fibrilación. Con un
sistema de puesta a tierra diseñado cuidadosamente, los choques eléctricos pueden mantenerse por
debajo de este valor y así, evitar lesiones a personas ó su muerte.
Investigadores indican que la corriente de no-fibrilación de magnitud IB en un rango comprendido
desde 0.03 a 0.3 segundos de duración, se refiere a la energía absorbida por el cuerpo, tal como se
especifica en la ecuación 5.1.
2
SB = IB
∗ tS
(5.1)
Donde:
IB es el valor rms de la corriente que circula través del cuerpo en amperios.
tS es la duración a la exposición de corriente en segundos.
SB es la constante empírica relacionada al golpe eléctrico, tolerado seguramente por un porcentaje de la población.
En la tabla I se muestra un cuadro resumen de la magnitud de la corriente y el tiempo para
fibrilacion.
TABLA I: Duración de la corriente para fibrilación.[1]
Corriente (mA)
15
20
30
100
500
1000
5.3.3.
Tiempo para fibrilación (seg)
120
60
35
3
0,1
0,03
Importancia de eliminar una falla rápidamente
Considerando la importancia de la duración de la falla tanto en términos de la ecuación 5.1 e
implícitamente como un factor de exposición-accidental, el eliminar rápidamente las fallas a tierra
21
,es favorable por dos razones.
1. Al eliminar rápidamente la falla ,el riesgo de exponerse a un golpe eléctrico se reduce enormemente, a diferencia de situaciones en las cuales, las corrientes de falla persistan por varios
minutos, que pueden llegar a ser horas.
2. Varias pruebas y experimentos ,muestran que si la duración del paso de corriente a través del
cuerpo es corto, el riesgo de lesiones severas ó muerte se reducen enormemente.
El valor de corriente permitido, puede basarse por lo tanto en el tiempo de despeje de las
unidades de protección primaria o las protecciones de respaldo. Un buen proceso es utilizar el
tiempo de despeje ,debido al mal funcionamiento de los relés ,que coincidirá con todos los factores
contraproducentes necesarios para ocasionar un accidente.
Al elegir el tiempo de desconexión de los relés de respaldo es más conservador obtenerlos en la
ecuación 5.1, porque estos aseguran un margen superior de seguridad.
Investigadores recomiendan, usar tiempos de interrupción menores a los 0,5 seg. Su investigación
proporcionó la evidencia que un corazón humano, llega a ser susceptible cada vez más a una fibrilación ventricular, cuando el tiempo de exposición a la corriente se aproxima al tiempo del ritmo del
corazón, pero ese peligro es mucho menor si el tiempo de exposición a la corriente es en el rango de
los 0,06 a los 0,03 segundos.
En realidad, los altos gradientes a tierra debido a fallas no son frecuentes y los golpes eléctricos
debido a los altos gradientes a tierra son menos frecuentes. Además, ambos casos son comúnmente
de muy corta duración. Así, no sería práctico hacer un diseño contra golpes eléctricos que son
únicamente dolorosos y no ocasionan lesiones serias; esto corresponde, para corrientes abajo del
umbral de fibrilación.
5.3.4.
Límite de corriente tolerable por el cuerpo
La duración y la magnitud de la corriente, que circula a través del cuerpo humano a una frecuencia de 50Hz ó 60Hz, deben ser menores al valor que causa la fibrilación ventricular del corazón.
22
5.3.4.1.
Fórmula de la magnitud y duración de la corriente
La cantidad (duración) de corriente que puede soportar la mayoría de personas a 50Hz ó 60Hz,
se refiere a su magnitud, de acuerdo a la ecuación 5.2 y se asume que el 99,5 % de todas las personas
pueden soportarla con seguridad, sin sufrir una fibrilación ventricular. El paso de una corriente con
magnitud y duración, sé establece por la siguiente fórmula:
IB =
k
tS
(5.2)
En donde, se agrega a los términos definidos anteriormente por la ecuación 5.1 k = SB, investigaciones descubrieron que el 99,5 % de las personas que pesan 50 libras pueden sobrevivir a un
golpe eléctrico, lo que da como resultado un valor de SB = 0,01350. Así, k50 = 0, 116 y la fórmula
para la corriente tolerable para un peso corporal de 50 kg es:
IB =
0, 116
tS
(5.3)
La ecuación 5.3 da como resultado para un tS = 1 segundo, 116 mA y para un tS = 0, 1 segundo,
367 mA.
Debido a que la ecuación 5.2 sé fundamenta en pruebas de un rango limitado entre 0,03 segundos
y 3,0 segundos, obviamente no es válido para duraciones menores a 0,3 segundos ó mayores a 3,0
segundos.
La corriente de fibrilación, se asume que es una función del peso corporal individual, tal como se
ilustra en la Figura 6. Esta figura, muestra la relación entre la corriente crítica y el peso corporal,
para las diversas especies de animales (cerdos, perros, ovejas y becerros), y en la zona del umbral
se muestra un 0.5
Por esta misma razón no podemos mantener las mismas constantes SB y k para cuerpos de
distinto peso. estudios posteriores,en que se basa la ecuación 5.2, llevan a que los valores de k = 0, 157
y de SB = 0, 0246, sean los que se deban aplicar a las personas con un peso estimado de 70 kg.
Por lo tanto, la ecuación, para un peso corporal de 70 kg, queda de la siguiente manera:
23
Figura 6: Corriente de fibrilación vs. el peso corporal para diferentes animales. Basado en el golpe
eléctrico durante tres segundos
IB =
0, 157
tS
(5.4)
La Ecuación 5.2 indica que se pueden permitir corrientes corporales muchos mayores, en donde
se pueda confiar, en que los dispositivos de protección de operación rápida limiten la duración de
falla. Se necesita una decisión apropiada, para usar el tiempo de apertura los relés primarios de alta
velocidad ó la protección de respaldo, como la base para el cálculo.
5.4.
Criterio del voltaje tolerable
La seguridad de una persona depende en prevenir que absorba una cantidad crítica de descarga
eléctrica, antes de que la falla se elimine y se suspenda el servicio de energía al sistema.
Antes de establecer los valores límites es primordial definir los tipos de voltaje que tomaremos
en consideración para asegurar la seguridad de la instalación, los cuales son el voltaje de paso y
voltaje de toque.
24
Voltaje de paso: Es la diferencia de potencial en la superficie del suelo experimentado por una
persona a una distancia de 1 metro sin tener contacto con cualquier objeto puesto a tierra.
La figura 7 ejemplifica el voltaje de paso.
Figura 7: Voltaje de Paso [7]
Voltaje de toque: Es la diferencia de potencial entre el aumento del potencial a tierra (GPR)
y el potencial en la superficie, en un punto donde la persona esta de pie y al mismo tiempo
hace contacto con la mano en una estructura puesta a tierra. La figura 8 ejemplifica el voltaje
de paso.
Figura 8: Voltaje de Toque [7]
El manejo del voltaje máximo de cualquier circuito accidental no debe exceder los límites que
se indican a continuación.
Para el voltaje de paso el límite es:
EP ASO = (RB + 2RF ).IB
(5.5)
0, 116
EP ASO50 = (1000 − 6.CS . ρS ).( √ )
tS
(5.6)
25
para un peso corporal de 50 kg.
0, 157
EP ASO70 = (1000 − 6.CS . ρS ).( √ )
tS
(5.7)
para un peso corporal de 70 kg.
Similarmente, el límite del voltaje de toque es:
ET OQU E = (RB +
RF
).IB
2
0, 116
ET OQU E50 = (1000 − 1, 5.CS . ρS ).( √ )
ts
(5.8)
(5.9)
para un peso corporal de 50 kg.
0, 157
ET OQU E70 = (1000 − 1, 5.CS . ρS ).( √ )
ts
para un peso corporal de 70 kg.
Donde:
Epaso es el voltaje de paso en voltios.
Etoque es el voltaje de toque en voltios.
CS es el factor reductor de la capacidad normal.
rS es la resistividad del material superficial en Ω.m
tS es la duración del golpe de corriente en segundos
Si no se usa la capa superficial protectora, entonces CS = 1 y ρs = ρ.
(5.10)
Capítulo 6
RESISTENCIA DE PUESTA A
TIERRA
6.1.
Definición
La resistencia de puesta a tierra es el valor de resistencia producto de la combinación de la
configuración del electrodo de puesta a tierra y el terreno (resistividad).
El factor más importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en sí, sino la resistividad del
suelo mismo, por ello es requisito conocerla para calcular y diseñar la puesta a tierra de sistemas.
6.2.
Valor de la resistencia de puesta a tierra
El valor de la resistencia debe cumplir con un valor mínimo dependiendo del tipo de instalación
para la cual se está diseñando.
Los valores presentados en la Tabla II son recomendados, ya que la norma nacional, el CEN
[2], solo indica que la resistencia de puesta a tierra debe ser menor a 25 Ω.
26
27
TABLA II: Valores recomendados de resistencia de puesta a tierra según el tipo de instalación.[7]
Tipo de Instalación
Subestación eléctrica mayor (Vn >69 kV)
Subestación eléctrica media (69kV >Vn >34.5kV)
Subestación eléctrica menor (Vn <34.5kV)
Torre de transmisión
Sistema de protección contra rayos
Sistema BT (CEN)
Telecomunicaciones
Hospitales
6.3.
RP AT (Ω)
<1
<2
<3-5
=10-20
<10
<25
<5
<5
Electrodo
El electrodo de tierra es diseñado específicamente ó adaptado para descargar las corrientes de
falla hacia la tierra.
Es muy importante tomar en cuenta que en el CEN, los electrodos de puesta a tierra de los
sistemas eléctricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de unión
principal del sistema. [2]
De acuerdo con la norma oficial venezolana, CEN 250-81 [2], el sistema de electrodos de puesta
a tierra se forma interconectando los siguientes tipos de electrodos (siempre que existan):
Tubería metálica de agua enterrada.
Estructura metálica del inmueble.
Electrodo empotrado en concreto.
Anillo de tierra.
Electrodos de varilla o tubería.
Electrodos de Placa
Otras estructuras o sistemas metálicos subterráneos cercanos.
Los tipos de electrodos no recomendados por la norma oficial venezolana son:
28
1. Tuberías de gas enterradas.
2. Electrodos de aluminio.
Para que las tuberías de gas puedan ser utilizadas estas deben tener una protección catódica a
fin de evitar riesgos de explosión.
Básicamente los electrodos de tierra pueden dividirse en dos grupos.
Electrodos existentes: estos comprenden el sistema de tuberías subterráneas, estructura metálica de los edificios, pozos, en general, cualquier estructura metálica enterrada en el suelo
para otro fin distinto al de la puesta a tierra.[8]
Electrodos intencionales: son aquellos electrodos especialmente diseñados para ser empleados
en los sistemas de puesta a tierra.[8]
En los siguientes puntos se explica cada uno de esos tipos de electrodos
6.3.1.
6.3.1.1.
Electrodos existentes
Tubería metálica de agua enterrada
Para que una tubería de agua pueda usarse como electrodo de puesta a tierra, debe reunir los
siguientes requisitos:
1. Por lo menos tener 3 m en contacto directo con la tierra.
2. Eléctricamente continua hasta el punto de conexión, puenteando el medidor del agua, si está
colocado en una posición intermedia.
La única desventaja de su uso es que debe complementarse con un electrodo adicional, de
cualquiera de los tipos mencionados arriba y que en sistemas compuestos en su mayoría por equipos
electrónicos, la corriente de fuga a tierra es en parte corriente continua y provoca corrosión galvánica
en las tuberías.
29
6.3.1.2.
Estructura metálica del edificio
La estructura metálica de los edificios puede ser usada, siempre que esté bien puesta a tierra, esto
es, que su impedancia a tierra sea baja. Para que sea baja la impedancia, se deben unir las columnas
a las partes metálicas de la cimentación con conductores según los calibres de los conductores de
puesta a tierra de la norma y, en caso de haber sellos formados por películas plásticas, se deben
puentear éstos.
6.3.2.
Electrodos intencionales
Entre los electrodos de puesta a tierra especialmente construidos para el sistema de puesta de
tierra, se tienen los siguientes:
6.3.2.1.
Varillas
De acuerdo con el CEN [2] los electrodos de varilla y tubo, no deben tener menos de 2,40 m de
largo y deben instalarse de tal modo que por lo menos 2,20 m de su longitud esté en contacto con
la tierra.
Las varillas de metales no ferrosos deben estar aprobadas y tener un diámetro no inferior a 13
mm de diámetro, y las demás de por lo menos 16 mm.
Las varillas de acero con un recubrimiento de cobre de 10 milésimas dura un promedio de 35 años
en un suelo promedio; si tiene un recubrimiento de 13 milésimas dura hasta 45 años. En cambio,
una varilla de acero galvanizado tiene una vida estimada de 15 años. Por lo cual es recomendado
emplear varillas con recubrimiento de cobre, ya que asegura el buen funcionamiento de la puesta a
tierra por años.
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusión hasta que alcanzan la profundidad adecuada. En caso de terrenos rocosos, las varillas no pueden meterse de esa manera; se doblan o
solamente no pueden entrar. Ocasionalmente se ha sabido de casos donde las varillas se han devuelto hacia la superficie después de haber tratado de clavarlas en terrenos rocosos.
Cuando la roca está a menos de 2,40 m, estos electrodos pueden meterse en diagonal hasta con
un ángulo de 45 grados de la vertical. Pero, si no es este el caso, se deben enterrar horizontales en
30
una trinchera abierta para el caso a 800 mm de profundidad por lo menos, veáse la figura 9.
Figura 9: Instalación de una varilla
La alternativa al golpeado es perforar un agujero, instalar la varilla y rellenar nuevamente
el agujero, aunque no se obtiene la compactación ni la baja resistencia de contacto de la varilla
percutida.
La resistencia de puesta a tierra de una jabalina está dada por la fórmula 6.1 [8]:
R=
ρ
L
.(ln(4. − 1)
2.π.L
r
(6.1)
donde:
R es la resistencia de puesta a tierra
ρp es la resistividad del terreno en Ω - m
L es el largo de la varilla en m
r es el radio de la varilla en m
En el mercado podemos encontrar dos tipos de varillas de tierra:
Varilla Copperweld
Esta varilla es una de las más usadas, ya que es de bajo costo de material. Este tipo de
electrodo esta hecho de acero y recubierto de una capa de cobre, su longitud suele ser de 2,4
m y 3 m y un diámetro de 16 mm. La varilla copperweld no tiene mucha área de contacto, pero
sí una longitud considerable, con la cual es posible un contacto con capas de tierra húmedas,
lo cual se obtiene un valor de resistencia bajo.
31
Varilla Chem-rod
Esta varilla de puesta a tierra posee la característica especial de contener sales minerales en
su interior las cuales son liberadas para acondicionar el terreno que rodea a la misma, esto
permite garantizar una mejor resistencia de puesta a tierra durante el periodo de duración
de la misma, cuando las sales se acaban pueden ser repuesta mediante kits especiales para
tal n. La eficiencia de estas varilla es tan elevada que permite reemplazar hasta diez varillas
de puesta a tierra convencionales por una sola chem-rod, esto es muy importante en terrenos
donde se requieran resistencias de tierra muy pequeñas, y la cantidad necesaria de varillas
convencionales se hace excesivamente numerosa. Estas están disponibles a nivel comercial en
varios modelos, una vertical y una horizontal, cada una de estas se utilizara dependiendo
del terreno y la capacidad de excavación que se disponga. La figura 10 muestra como está
compuesta este tipo de varilla.
El principal problema de este tipo de varilla es que necesitan que el terreno posea cierta
humedad para que puedan ser liberadas las sales. Además hay que realizarles mantenimiento
y continuo chequeo del contenido de sales dentro de las varillas, ya que al vaciarse estas no
ofrecen ninguna mejora con respecto a las varillas Copperweld, y deben ser reemplazadas.
6.3.2.2.
Electrodos de placa
Los electrodos de placa no deberán tener menos de 0,2 metros cuadrados de superficie en contacto
con el suelo. Y las placas de acero o fierro deberán tener por lo menos 6,4 mm de espesor. Si son de
material no ferroso deberán tener por lo menos 1,52 mm de espesor.[2]
6.3.2.3.
Anillo de tierra
Un anillo de tierra consiste en un conductor de cobre desnudo, de sección transversal no menor al
calibre 2 AWG (por resistencia mecánica) y de longitud no menor a 6 m enterrado a una profundidad
de 800 mm y, que preferiblemente, rodee al edificio o estructura.
Estos anillos de tierras se emplean frecuentemente circundando una fábrica o un sitio de comunicaciones, para proveer un plano equipotencial alrededor de edificios y equipos.
32
Figura 10: Varilla Chem-Rod colocada en la tierra.
33
Para el cálculo del anillo de tierra se emplea la fórmula 6.2.[8]
R=
ρ
8.D 4.D
.(ln(
+
)
2.π 2 .D
d
s
(6.2)
donde:
ρ es la resistividad del terreno en Ω- cm
L es el largo de la varilla en cm
r es el radio de la varilla en cm
D es el diámetro del anillo cm
s/2 es la profundidad de enterramiento en cm
6.3.2.4.
Electrodos en estrella
En el caso de torres de radiodifusión, se emplean cables en configuración de estrella (radiales)
para su puesta a tierra. Y, se ha encontrado más efectivo tener conectados los cables en un punto
que tener múltiples anillos rodeando el sitio.
Esos cables radiales llamados contra-antenas pueden ser menores a 30 m de largo si el suelo es
adecuado.
Los cables dispersan la energía de las descargas muy eficientemente. Como la corriente se divide
en proporciones iguales en los cables radiales, entre más cables, menor corriente circula cada brazo
de la estrella. Esto permite tener una baja corriente, la cuál es más fácil de disipar y tendrá menor
impacto en la elevación del potencial de tierra del sistema.
Para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra de los electrodos en estrella se emplearán las
fórmulas presentadas en la práctica recomendada de la IEEE-142.[8]
Estrella de tres puntas
R=
ρ
2.L 2.L
s
s2
s4
.(ln(
+
− 1, 071 − 0, 209 + 0, 238 2 − 0, 054 4 ...)
6.π.L
a
s
L
L
L
Estrella de cuatro puntas
(6.3)
34
R=
ρ
s4
2.L 2.L
s
s2
.(ln(
+
+ 2, 912 − 1, 071 + 0, 645 2 + 0, 145 4 ...)
8.π.L
a
s
L
L
L
(6.4)
Estrella de seis puntas
R=
2.L 2.L
s
s2
s4
ρ
.(ln(
+
+ 6, 851 − 3, 128 + 1, 758 2 + 0, 49 4 ...)
12.π.L
a
s
L
L
L
(6.5)
Estrella de ocho puntas
R=
ρ
2.L 2.L
s
s2
s4
.(ln(
+
+ 10, 98 − 5, 51 + 3, 26 2 + 1, 17 4 ...)
16.π.L
a
s
L
L
L
(6.6)
En donde: ρ es la resistividad del terreno en Ω-cm
L es el largo de los brazos de la estrella en cm
a es el radio de la varilla en cm
D es el diámetro del anillo cm
s/2 es la profundidad de enterramiento en cm
6.3.2.5.
Mallas
Los estándares sobre instalaciones eléctricas requiere de un sistema mallado 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 las tensiones de paso y de
contacto
La malla consta de una red de conductores enterrados a una profundidad que usualmente varía
de 0,30 a 1,0 m, colocados paralela y perpendicularmente con un espaciamiento adecuado a la
resistividad del terreno y preferentemente formando retículas cuadradas.
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.
35
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 2,4 m de longitud
mínima, clavados verticalmente.
Los cables que forman la malla deben colocarse preferentemente a lo largo de la estructuras o
equipo para facilitar la conexión a los mismos. Los conectores empleados en la malla del sistema de
tierras deben ser de tipo de compresión o soldables.
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 o C).
6.3.2.6.
Electrodos de concreto
Este tipo de electrodo consiste en un electrodo de metal, como una varilla o jabalina empotrada
en cemento o concreto. El concreto tiene una estructura química ligeramente alcalina e higroscópica.
La combinación de estas características provee iones libres que permiten al concreto exhibir una
resistividad consistentemente de unos 30 Ω-m. Los electrodos de concreto tienen una resistencia
a tierra menor o igual que las varillas de cobre de un tamaño comparable, siempre que estén en
contacto con suelos con resistividad de 50 Ω-m o menor.
Algunas pruebas indican que la resistencia típica a tierra de una base para columna de anclaje
medida en los pernos es de alrededor de 50 Ω, sin usar métodos especiales. De ahí que la resistencia
efectiva de un edificio de estructura metálica con veintitantas columnas en paralelo es de menos
de 5 Ω, siempre y cuando se asegure que la estructura esté conectada a las varillas. Para ello, se
suelda por métodos de fusión un cable de acero a las varillas, mismo que se conectará a su respectiva
columna.
En los lugares donde es posible que caigan descargas atmosféricas en el sistema de tierras con
36
electrodos de concreto, éstos deben complementarse con electrodos de otro tipo, para que las
grandes corrientes debidas a esas descargas no causen ningún daño por fractura al evaporar muy
rápidamente el agua presente en el concreto.
6.4.
Medición de la resistencia de puesta a tierra
La medición de la resistencia de puesta a tierra es necesaria para:
Determinar la resistencia actual de las conexiones a tierra.
Verificar la necesidad de un nuevo sistema de puesta a tierra.
Determinar cambios en el sistema de puesta a tierra actual.
Determinar los valores de los voltajes de paso y toque y su posible aumento que resulta de
una corriente de falla en el sistema.
Diseñar protecciones para el personal y los circuitos eléctricos y electrónicos.
La resistencia, como ya sabemos, esta medida en ohms (Ω).
Métodos de medición de la resistencia de puesta a tierra
Algunos de los métodos de medición de la resistencia de puesta a tierra que existen se presentan
a continuación:
Método de los dos puntos
Método de los tres puntos
Método de la caída de tensión
Método de la pendiente
Método de la regla del 62 %
Método radio.
37
Método de Tagg
Método de la intersección de curvas
Método estrella triángulo.
En este informe solo se hará énfasis en los métodos más tradicionales, los cuales son los siguientes:
6.4.1.
Método de los dos Puntos o dos Polo
[9]
En este método se mide el total de la resistencia del electrodo en estudio más la resistencia de
un electrodo auxiliar. La resistencia del electrodo auxiliar se considera muy pequeña comparada con
la del electrodo en estudio y por tanto el resultado de la medición es tomado como la resistencia
del electrodo en estudio.
La usual aplicación de este método es para determinar la resistencia de un electrodo simple
(varilla enterrada) en un área residencial donde se tiene además un sistema de suministro de agua
que utiliza tuberías metálicas sin uniones con aislantes. La resistencia del sistema de suministro de
agua en el área, la cuál se considera el electrodo auxiliar, se asume muy pequeña (alrededor de 1 Ω)
en comparación con la resistencia máxima permitida para un electrodo simple (alrededor de 25 Ω).
Este método esta sujeto a grandes errores cuando se desea medir la resistencia de un electrodo
simple de poco valor; pero al menos puede dar una idea de la resistencia del sistema en estudio. En
la figura 11 se muestra el esquema del método.
6.4.2.
Método de los tres puntos
El método de medición con el puente de Nippold requiere el emplazamiento de dos tomas de
tierra auxiliares, cuyas resistencias de dispersión a tierra designaremos como R2 y R3 , mientras que
la resistencia de la toma bajo ensayo se denominará R1 .
En estas condiciones, se miden las resistencias R1−2 , R2−3 y R1−3 comprendidas entre cada
par de tomas, utilizando preferentemente un puente de corriente alterna. Como R1−2 = R1 + R2 ,
R2−3 = R2 + R3 y R1−3 = R1 + R3 ; resulta:
38
Figura 11: Método de los dos puntos.[17]
R1 =
(R1−2 + R1−3 − R2−3 )
2
(6.7)
Las resistencias de cada uno de los electrodos auxiliares deben ser del mismo orden que la
resistencia que se espera medir.
Si las dos tomas auxiliares son de mayor resistencia que la toma de tierra bajo ensayo, los errores
en las mediciones individuales serán significativamente magnificados en el resultado final obtenido
con la ecuación anterior. Para tal caso se recomienda colocar los electrodos a una gran distancia
entre sí.
Para las tomas de tierra de áreas extensas, las que presumiblemente tienen bajos valores de
resistencia, se recomienda que las distancias entre electrodos sean del orden de la mayor diagonal
del área a medir.
Este método resulta dificultoso para instalaciones de puesta a tierra de grandes subestaciones y
centrales generadoras, donde resulta preferible el método de la caída de tensión.
39
6.4.3.
Método de la caída de tensión
El método consiste en inyectar una corriente de medición (I) que pasa por el terreno a través de
la toma o dispersor de puesta a tierra a medir y por un electrodo auxiliar de corriente ubicado en un
punto suficientemente alejado para ser considerado como integrante de la masa general del planeta
(tierra verdadera). En estas condiciones se inca un segundo electrodo auxiliar de tensión ubicado a
mitad de camino entre la toma bajo ensayo y el electrodo auxiliar de corriente, midiéndose la caída
de tensión U que aparece entre la toma de tierra a medir y el electrodo auxiliar de tensión. Para
medir la tensión se puede utilizar un potenciómetro o un voltímetro de alta impedancia interna,
mientras que para medir la corriente se utiliza un amperímetro conectado directamente o a través
de un tipo pinza, que facilita el trabajo al controlar instalaciones existentes.
Por aplicación de la ley de Ohm, la resistencia R1 del dispersor resulta:
R1 =
U
I
(6.8)
Las resistencias de cada uno de los electrodos auxiliares no presentan requisitos tan estrictos
como en los métodos anteriores, si bien se recomienda que el electrodo de corriente tenga una
resistencia lo suficientemente baja como para permitir un adecuado paso de la corriente.
Si bien en teoría la influencia del dispersor se extiende hasta el infinito, debe considerarse que
tal influencia varía inversamente con la distancia siguiendo una ley exponencial, pues la sección
ofrecida a las trayectorias de corriente aumenta al alejarse del dicho dispersor.
Por lo anterior, a los efectos prácticos dicha influencia se concentra en las cercanías del dispersor
y se torna despreciable a distancias superiores a los 50 m en el caso de tomas de áreas reducidas o
de simples electrodos
El método de la caída de tensión resulta adecuado para casi todos los tipos de mediciones de
resistencia de puesta a tierra.
En una toma de tierra de área extensa, el electrodo de potencial se debe ir alejando de la toma
bajo ensayo en forma escalonada, registrando el valor medido en cada escalón. Al graficar los valores
obtenidos en función de la distancia entre la toma y el electrodo de tensión se obtiene una curva que
tiende a nivelarse en un determinado valor, que representa el valor mas probable de la resistencia de
40
la toma de tierra. En estos casos, también debe prestarse atención a la posibilidad de la existencia
de resistencias parásitas de conexión.
Cuando se aplica este método se debe tener en cuenta que pueden existir tensiones espurias
provocadas por corrientes vagabundas en el terreno, capaces de alterar la medida. Por ello, interrumpiendo la corriente debe verificarse que la lectura del voltímetro sea nula o despreciable. Si no
lo es, el método no es aplicable.
En la Figura 12 se observa la forma en que se instala el Megger para realizar las mediciones por
este método.
Figura 12: Método de la caída de tensión.[17]
Capítulo 7
RESISTIVIDAD DEL TERRENO
El factor más importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en sí, sino la resistividad
del suelo mismo, por ello es requisito conocerla para calcular y diseñar el sistema de puesta a tierra.
7.1.
Definición
La resistividad se define como el grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohmios por metro (Ω.m, a
veces también en Ω.m/mm2 ).
Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de la corriente eléctrica, por
lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el
material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. [5]
En su medición, se promedian los efectos de las diferentes capas que componen el terreno bajo
estudio, ya que éstos no suelen ser uniformes en cuanto a su composición, obteniéndose lo que
se denomina “Resistividad Aparente” que para el interés de este trabajo, será conocida simplemente
como “Resistividad del Terreno”.
La medición de la resistividad es útil para los siguientes propósitos:
Estimación de la resistencia de puesta a tierra del sistema.
Estimación de los voltajes de paso y toque.
41
42
En la práctica, la medición de resistividad es realizada primero, para identificar un buen sitio
para la puesta a tierra y hacer el cálculo teórico para su diseño óptimo. Después se realiza la medición
de resistencia para verificar que se ha logrado el valor deseado según lo requerimientos.
7.2.
Factores que inciden en la resistividad
Es de gran importancia que se investigue la resistividad del suelo cada vez que se tenga como
objetivo la instalación de un sistema de puesta a tierra, ya que la resistividad del suelo fluctúa por
muchas razones y ampliamente a lo largo y ancho del globo terrestre. A continuación se presentará
una recopilación de los factores que más inciden en la resistividad.
7.2.1.
Sales solubles
La resistividad del suelo es determinada principalmente por su cantidad de electrolitos; esto es,
por la cantidad de humedad, minerales y sales disueltas. Como ejemplo, para valores de 1 % (por
peso) de sal (NaCl) o mayores, la resistividad es prácticamente la misma, pero, para valores menores
de esa cantidad, la resistividad es muy alta. En la tabla III se muestra como varía la resistividad en
función de la sal añadida.
TABLA III: Efecto del contenido de sal sobre la resistividad de una muestra de barro arenoso bajo
las mismas condiciones (humedad y temperatura).[10]
Sal añadida ( % en peso)
0
0,1
1
5
10
20
7.2.2.
Resistividad (Ω.m)
107
18
4,6
1,9
1,3
1
Composición del terreno
La composición del terreno depende de la naturaleza del mismo. Los rangos de resistividad,
según la composición del terreno son muy amplios. En un sitio determinado, no es posible dar los
43
valores de resistividad hasta no hacer la medición. Sucede, incluso, que para una misma clase de
terreno, situada en distintas regiones, la resistividad pueda ser sensiblemente diferente.
Por ejemplo, el suelo de arcilla normal tiene una resistividad de 40-500 Ω-m por lo que una
varilla electrodo enterrada 3 m tendrá una resistencia a tierra de 15 a 200 Ω respectivamente. En
cambio, la resistividad de un terreno rocoso es de 5000 Ω-m o más alta, y tratar de conseguir una
resistencia a tierra de unos 100 Ω o menos con una sola varilla electrodo es virtualmente imposible.
En la tabla IV se muestra como varía la resistividad para terrenos de distinta composición.
TABLA IV: Valores de resistividad en diferentes tipos de suelo.[10]
Composición física
Agua de mar (referencia)
Pantano
Arcilla
Arcilla con arena y grava
Creta
Caliza
Granito
Pizarra
Roca (normal cristalizada)
7.2.3.
Resistividad (Ω.m)
1-2
2-3
3-160
10-1350
60-400
5-10000
10000
100-500
500-10000
Estratificación del terreno
La composición del suelo es generalmente estratificada en varias capas o formaciones diferentes,
lo cual se traduce en resistividades en cada capa o estrato. Este hecho presenta una contradicción
con muchos textos y memorias de cálculo de proyectos, donde se asume que el suelo es uniforme.
7.2.4.
Granulometría
Influye bastante sobre la porosidad y el poder retenedor de humedad y sobre la calidad del
contacto con los electrodos aumentando la resistividad con el mayor tamaño de los granos de la
tierra. Por esta razón la resistividad de la grava es superior a la de la arena y de que ésta sea mayor
que la de la arcilla.
44
7.2.5.
Estado higrométrico
El contenido de agua y la humedad influyen en forma apreciable. Su valor varía con el clima,
época del año, profundidad y el nivel freático. Como ejemplo, la resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15 % del peso de éste. Pero,
un mayor contenido de humedad del 15 % mencionado, causa que la resistividad sea prácticamente
constante. Y, puede tenerse el caso de que en tiempo de sequía, un terreno puede tener tal resistividad que no pueda ser empleado en el sistema de tierras. Por ello, el sistema debe ser diseñado
tomando en cuenta la resistividad en el peor de los casos.
TABLA V: Influencia de la humedad sobre la resistividad de una muestra.[10]
Contenido de humedad
( % en peso)
0
2,5
5
10
15
20
30
7.2.6.
Resistividad (Ω − m)
Capa Superior Barro Arenoso
10 · 106
10 · 106
2500
1500
1650
430
530
185
210
130
120
100
100
80
Temperatura
A medida que desciende la temperatura aumenta la resistividad del terreno y ese aumento se
nota aún más al llegar a 0◦ C, hasta el punto que, a medida que es mayor la cantidad de agua en
estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de los electrolitos los cuales influyen en la
resistividad de la tierra.
7.2.7.
Compactación
Un suelo más compacto presenta una mayor continuidad física, lo que en principio facilita una
mejor conductividad, es decir, la resistividad del terreno es inversamente proporcional al nivel de
compactación del mismo. La resistividad del terreno disminuye al aumentar la compactación del
mismo. Por ello, se procurará siempre colocar los electrodos en los terrenos más compactos posibles.
45
TABLA VI: Efecto de la temperatura sobre la resistividad en una muestra de barro arenoso con
15 % de humedad.[10]
Temperatura o C Resistividad (Ω.m)
20
72
10
99
0
138
0
300
-5
790
-15
3300
Es recomendable, por este motivo, esperar cierto tiempo después de hecha la instalación para realizar
la medición oficial de su resistencia.
7.3.
Medición de la resistividad del suelo
La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso
de la roca en estudios geofísicos, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de
tierras de una subestación, sistema electrónico, planta generadora o transmisora de radiofrecuencia.
Asimismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas.En general,
los lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión.
El perfil de la resistividad del suelo determinará el valor de la resistencia a tierra y la profundidad
de nuestro sistema de puesta a tierra.
Para medir la resistividad del suelo se requiere de un terrómetro (llamado en otros países:
telurómetro) o Megger de tierras de cuatro terminales.
Los aparatos de mayor uso, de acuerdo a su principio de operación, pueden ser de 2 tipos: del
tipo de compensación de equilibrio en cero y el de lectura directa.
Los terrómetros deben inyectar una corriente de frecuencia que no sea de 60 Hz para evitar
se midan voltajes y corrientes que no se deban al aparato sino a ruidos eléctricos. Por ejemplo,
si estamos cerca de una subestación o de una línea en servicio, y vamos a realizar mediciones de
resistividad y resistencia de tierra, con un aparato de 60 Hz, dichos sistemas van a inducir corrientes
por el suelo debido a los campos electromagnéticos de 60 Hz y darán una lectura errónea.
De igual manera sucede cuando los electrodos de prueba están mal conectados o tienen falsos
46
contactos, darán señales falsas de corriente y voltaje. Si hay corrientes distintas a las que envió el
aparato, éste leerá otras señales de voltaje y corriente que no son las adecuadas.
También estos aparatos de repente tienen oscilaciones en sus lecturas y no es posible leerlas.
Un aparato inteligente, lleva conductores blindados, coaxiales, tiene sistemas de filtraje, de
análisis y mide lo que halla, pero esa información la analiza, la filtra y luego la deduce. Por ejemplo,
para hacer una medición manda una señal de 100 Hz y mide; luego manda otra señal de 150 Hz
y vuelve a medir y puede seguir enviando otras altas frecuencias hasta que los valores van siendo
similares, forma una estadística y obtiene un promedio. Los terrómetros son analógicos o digitales
y deben contener 4 carretes de cable calibre 14 AWG normalmente. Para enrrollamiento rápido se
recomienda construir un sistema devanador que permita reducir el tiempo de la medición. También
traen 4 electrodos de material con la dureza suficiente para ser hincados en la tierra con marro. Son
de una longitud aproximada de 60 cm y un diámetro de 16 mm. Además de lo anterior se hace
necesario contar con una cinta no metálica de 50 m aproximadamente.
Los terrómetros tienen cuatro terminales 2 de corriente (C1, C2) y 2 de potencial (P1, P2) y
están numerados en el aparato C1 P1 P2 C2. Los terrómetros deben estar certificados y probados
en el campo con una resistencia antes de realizar las mediciones. Como la medición obtenida por un
terrómetro es puntual, se deben hacer mediciones en un sentido, en otro a 90 grados del primero,
y, en el sentido de las diagonales. En la medición de resistividad de un terreno, es común encontrar
valores muy dispares, causados por la geología del terreno, por lo que es una práctica común de una
tabla con lecturas, el eliminar los valores que estén 50 % arriba o abajo del promedio aritmético de
todos los valores capturados.
7.3.1.
Método de Wenner
Con objeto de medir la resistividad del suelo se hace necesario insertar los 4 electrodos en el
suelo. Los cuatro electrodos se colocan en línea recta y a una misma profundidad de penetración,
las mediciones de resistividad dependerán de la distancia entre electrodos y de la resistividad del
terreno, y por el contrario no dependen en forma apreciable del tamaño y del material de los
electrodos, aunque sí dependen de la clase de contacto que se haga con la tierra.
El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de baja frecuencia a
47
través de la tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el potencial que aparece se mide entre
dos electrodos P1 y P2. Estos electrodos están enterrados en línea recta y a igual separación entre
ellos. La razón V/I es conocida como la resistencia aparente. La resistividad aparente del terreno
es una función de esta resistencia y de la geometría del electrodo.
Figura 13: Método de Wenner
En la figura 13 se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos, en donde la corriente
se inyecta a través de los electrodos exteriores y el potencial se mide a través de los electrodos
interiores. La resistividad aparente está dada por la siguiente expresión:
ρ=
[1 +
4.π.A.R
2.A
− [ (4.A2 +4.B
2 )0,5 ]]
2.A
[ (A2 +4.B
2 )0,5 ]
(7.1)
Si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de separación entre electrodos (A). O sea A >20B, la siguiente fórmula simplificada se puede aplicar:
ρ = 2.π.A.R
(7.2)
La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la resistividad promedio
de un hemisferio de terreno de un radio igual a la separación de los electrodos.
Como ejemplo, si la distancia entre electrodos A es de 3 metros, B es 0,15 m y la lectura del
instrumento es de 0,43 Ω, la resistividad promedio del terreno a una profundidad de 3 metros, es
de 8,141 Ω-m según la fórmula completa y de 8,105 Ω-m según la fórmula simplificada.
48
Se recomienda que se tomen lecturas en diferentes lugares y a 90 grados unas de otras para que
no sean afectadas por estructuras metálicas subterráneas. Y, que con ellas se obtenga el promedio.
7.3.2.
Método de Schlumberger
El método de Schlumberger es una modificación del método de Wenner, ya que también emplea
4 electrodos, pero en este caso la separación entre los electrodos centrales o de potencial (a) se
mantiene constante, y las mediciones se realizan variando la distancia de los electrodos exteriores a
partir de los electrodos interiores, a distancia múltiplos (na) de la separación base de los electrodos
internos (a).
La configuración, así como la expresión de la resistividad correspondiente a este método de
medición se muestra en la figura 14.
Figura 14: Método de Schlumberger
ρ = 2.π.R.(n + 1).na
(7.3)
El método de Schlumberger es de gran utilidad cuando se requieren conocer las resistividades
de capas más profundas, sin necesidad de realizar muchas mediciones como con el método Wenner.
Se utiliza también cuando los aparatos de medición son poco inteligentes. Solamente se recomienda
hacer mediciones a 90 grados para que no resulten afectadas las lecturas por estructuras subterráneas.
49
7.3.3.
Perfil de resistividad
Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, se utiliza el Método de Wenner con
espaciamientos entre electrodos de prueba cada vez mayores. Por lo general, para cada espaciamiento
se toman dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí.
La gráfica resultante (figura 15) de trazar el promedio de las mediciones de resistividad (R)
contra distancia entre electrodos (a) se denomina perfil de resistividad aparente del terreno.
Figura 15: Perfil de resistividad
7.3.4.
Condiciones para las medidas de resistividad del suelo
Cuando el área está próxima a instalaciones eléctricas subterráneas o aéreas, especialmente de
Alta Tensión, se optará por un alejamiento de 50 m; complementariamente se aplicarán las siguientes
condiciones:
7.3.4.1.
Para la Seguridad del Operador que mide cerca de Instalaciones Eléctricas
Energizadas
Los Operadores de Medidas deben utilizar guantes y zapatos aislantes.
No medir bajo lluvia, neblina densa o humedad relativa Hr>80 % cerca de Líneas Eléctricas
o Subestaciones.
No medir cuando hay Tormentas y Rayos aguas arriba o aguas abajo de la Líneas Eléctricas.
50
7.3.4.2.
Para Asegurar la Representatividad de las Medidas de Campo
Considerando la Estación climática del sitio.
Verano (costa), Estiaje (Sierra, Selva); aplicar valor directamente el resultado.
Invierno (costa), Lluvias (Sierra, Selva); aplicar el resultado corregido.
Evitar medir en suelos recién humedecidos por riego o lluvia, o en suelos removidos.
Anticipadamente Verificar el instrumento y los accesorios de medida.
Contrastación con Resistencia Patrón.
Prueba de aislamiento de los Conductores.
Prueba de conducción de los Terminales.
Prueba de ajuste de los Conectores.
7.3.4.3.
Para Asegurar la Precisión de las Medidas
Evitar la superposición de los circuitos de medida ( I ) y ( V ).
Asegurar buen contacto entre los Electrodos clavados y el Suelo.
Evitar paralelismo con Líneas Eléctricas Aéreas y Subterráneas.
Evitar proximidad con Objetos Conductores de superficie y subterráneos.
Evitar la influencia directa de los circuitos de Alta Tensión.
Medir en horas de ausencia o mínimas corrientes erráticas o geomagnéticas.
Capítulo 8
SISTEMAS DE PROTECCIÓN
CONTRA DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
8.1.
Descargas atmosféricas
Cuando se habla de descargas atmosféricas, hablamos de rayos. El rayo es una poderosa descarga
electrostática natural producida durante una tormenta eléctrica. La descarga eléctrica precipitada
del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago). La electricidad (corriente eléctrica)
que pasa a través de la atmósfera calienta y se expande rápidamente el aire, produciendo el ruido
característico del trueno del relámpago.
Es necesario conocer el origen y protegernos contra las descargas atmosféricas, ya que su poder
destructivo debido a la gran energía que maneja en mínimos intervalos de tiempo, es muy grande.
Existen básicamente cuatro tipo de descargas atmosféricas:
Descargas dentro de la nube.
Descargas entre nubes.
Descargas nube-tierra.
51
52
Descargas nube-ionósfera.
De todas ellas, la más perjudicial es la nube tierra, pues es la que puede producir daños a
estructuras, animales y personas.
8.2.
Origen de las descargas atmosféricas.[6]
El primer proceso en la generación del rayo es la separación de cargas positivas y negativas
dentro de una nube. Los cristales de hielo dentro de las nubes cumulonimbus se frotan entre sí
debido a las corrientes aéreas ascendentes fuertes en estas nubes, acumulando así una carga estática
fuerte. Los cristales positivamente cargados tienden a ascender lo que hace que la capa superior de
la nube acumule una carga estática positiva. Los cristales negativamente cargados y los granizos
caen a las capas del centro y del fondo de la nube que acumula una carga estática negativa. Las
nubes cumulonimbus que no producen suficientes cristales de hielo, en general, no pueden producir
bastante electricidad estática para causar el rayo.
El relámpago puede también ocurrir como resultado de las erupciones volcánicas o de los fuegos
violentos del bosque que generan el suficiente polvo para crear una carga estática.
El segundo proceso es la acumulación de cargas positivas en la tierra debajo de las nubes. La
tierra normalmente se carga negativamente con respecto a la atmósfera . Pero como la tormenta
eléctrica pasa sobre la tierra, las cargas negativas en el fondo de la nube cumulonimbus causan que
las cargas positivas se reúnan en la superficie en un radio de varios kilómetros a la redonda y se
concentren en objetos verticales como árboles y edificios altos.
El tercer proceso es la generación de la descarga. Cuando las cargas negativas y positivas se
reúnen de esta manera, se produce una descarga eléctrica dentro de las nubes o entre las nubes y la
tierra, produciendo el relámpago. Esta descarga atmosférica, es producto de la igualación violenta
de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes. Y es
consecuencia de un rompimiento dieléctrico atmosférico. Este rompimiento una vez iniciado, avanza
en zigzag a razón de unos 50 metros por microsegundo con descansos de 50 microsegundos.
Una vez que el rompimiento creó una columna de plasma en el aire, la descarga eléctrica surgirá
inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de radio del punto de potencial más alto. Y,
53
cualquier objeto puede ser el foco de esta descarga hacia arriba de partículas positivas, aún desde
una parte metálica debajo de una torre.
Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas eléctricos
distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular
grandes corrientes en las canalizaciones metálicas, y entre conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, aún sin la descarga, una nube cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial
en la tierra directamente debajo de ella.
El campo eléctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre 10 000
y 30 000 V/m. Y una nube de tormenta promedio podría contener unos 140 MWh de energía
con voltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intranube de unos 40 Coulombs.
Esta energía es la que se disipa mediante los rayos, con corrientes pico que van de unos cuantos
kiloamperes a unos 200 kA con un percentil (50) de 20 kA.
Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caída de rayos en un lugar. Por ejemplo,
la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura sobre el terreno
circundante. Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente vulnerables. Además, las
puntas agudas incrementan también la probabilidad de una descarga.
Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello son
causa de interferencia en sistemas electrónicos. Son de alta frecuencia por la elevada razón de cambio
de la señal, de aproximadamente 1 us.
8.3.
Sistemas de pararrayos.
La protección de estructuras es más tolerante que una protección electrónica. Así, un edificio
puede tolerar hasta 100.000 V mientras que componentes electrónicos a 24 V se dañarán con voltajes
sostenidos de 48 V.
Las descargas atmosféricas ocurren con diferentes intensidades y un sistema que proteja contra
su efecto deberá ser diseñado tomando en cuenta las descargas promedio o mayores del área en
cuestión. Las descargas no pueden ser detenidas, pero la energía puede ser desviada en una forma
controlada.
54
El sistema de protección contra descargas atmosféricas está constituido de la siguiente manera
y su finalidad es la siguiente.
Sistema de terminación de aire: capturar el rayo en el punto diseñado para tal propósito.
Sistema de conductores bajantes: conducir la energía de la descarga a tierra, mediante un
sistema de cables conductores que transfiere la energía de la descarga mediante trayectorias
de baja impedancia.
Sistema de terminación de tierra: disipar la energía en un sistema de terminales (electrodos)
en tierra
En la figura 16 se muestran cada uno de los componentes del sistema de pararrayos.
Figura 16: Componentes de un sistema de pararrayos.[11]
Cuando la energía de una descarga viaja a través de una trayectoria de gran impedancia, el daño
causado puede ser grave por el calor y las fuerzas mecánicas que se crean. Como la tierra no tiene
una resistividad uniforme en todos los puntos, dentro de un mismo sitio puede existir un potencial
55
entre dos placas de metal enterradas. Por eso, en un sistema de electrodos múltiples conectados
entre sí, a manera de malla, existe la probabilidad de que exista una diferencia de potencial entre
algunos de sus puntos puestos a tierra.
El problema de diferencia de potenciales entre electrodos se complica aún más cuando una nube
cargada pasa por encima de la malla. Además, una descarga eléctrica que caiga cerca, causará grandes corrientes en la tierra para restablecer el equilibrio de cargas. Al fluir esta corriente por tierra,
causará una diferencia de potencial entre los diferentes electrodos y esta diferencia de potencial, a
su vez, causará que fluya corriente por los conductores de la malla.
Es conocido que un campo magnético se crea cada vez que existe una descarga atmosférica, no
importando si es a tierra o entre nubes. Este campo induce una corriente en cualquier conductor en
la vecindad de la descarga. Si existen electrodos al final de ese conductor, fluirá por tierra la corriente
cerrando el circuito. Por ejemplo, un oleoducto puede transmitir la corriente de una descarga a una
gran distancia del punto donde la descarga tuvo lugar.
8.4.
Tipos de Pararrayos
8.4.1.
Punta Franklin
Su misión es provocar la excitación atmosférica por encima de cualquier otro punto de la estructura a proteger, para aumentar la probabilidad que la descarga incida en su zona de inuencia,
y derivar a tierra la corriente de la descarga atmosférica.
Entre sus aplicaciones se tiene:
Facilita la instalación de sistemas de protección externa en todo tipo de estructuras y edificaciones.
Es el complemento ideal en sistemas de Malla.
Estadísticamente se ha comprobado que su zona de protección se debe calcular aproximadamente en radio igual a su altura.
El pararrayos Franklin es el sistema óptimo para proteger edificaciones donde la altura predomina a la superficie
56
Una instalación típica comprende:
Una varilla captadora, junto con su mástil.
Uno o dos bajantes.
Un desconectador por bajante para la comprobación de la resistencia de la estructura.
Un elemento protector contra golpes en los dos últimos metros del bajante conductor.
Una toma de tierra por bajante.
Unión equipotencial de las tomas de tierra y circuito general de tierras.
Figura 17: Punta Franklin
8.4.2.
Pararrayos Ionizante
Se fabrica en Bronce o Acero inoxidable, y esta basado en el efecto de puntas, dieléctrico, e ión
corona. Su cobertura es igual o mejor a la punta Franklin, y se asemeja a una semiesfera centrada
en el mismo.
El principio de protección es: partiendo del campo eléctrico ambiente existente en cualquier
situación de tormenta, un dispositivo de cebado genera impulsos de alta tensión sobre los electrodos,
provocando un efecto corona.
Produce una ionización dirigida hacia la nube, canalizando desde su origen, la posible descarga
eléctrica
Este efecto consiste en la descarga que se produce entorno a los puntos agudos de un cuerpo
cargado a un alto potencial, y se establece la corriente de descarga desde estos puntos a la atmósfera.
57
Figura 18: Pararrayos Ionizante.
8.4.3.
Jaula de Faraday
El sistema consiste en la recepción de la descarga atmosférica a través de un conjunto de puntas
captadoras unidas entre sí por cable conductor, formando una malla, y derivarla a tierra mediante
una red de bajantes conductores.
Múltiples puntas captadoras.
Red de unión de las diversas puntas.
Una bajante conductora por punta captadora.
Una toma de tierra por bajante.
Unión equipotencial de las tomas de tierra y circuito general de tierras.
8.5.
Determinación del nivel de protección de un sistema de protección contra descargas atmosféricas
El nivel de protección de un sistema de protección ante descargas atmosféricas se determina
mediante la eficiencia que se requiera para proteger la estructura.
La eficiencia del SPDA se calcula mediante la siguiente fórmula:
58
E >1−
Nr
Np
(8.1)
Donde:
Nr: Índice de riesgo real de la estructura.
Np: Índice de riesgo máximo permitido.
Para la estimación del índice de riesgo real de la estructura, Nr, es necesario aplicar la siguiente
ecuación:
N r = Ae.N g.K,10−6
(8.2)
Donde:
K= Ks. C1. C2. C3. C4. C5 y es un factor que depende de diversas variables.
A continuación se definen cada variable.
Ks: factor de seguridad, usualmente se considera como 1,1.
C1: factor de corrección por uso de la instalación, los diversos valores que puede tomar están
presentados en la tabla VII.
TABLA VII: Factor de corrección por uso C1.[11]
Característica
Casas o edificios de viviendas
Casas o edificios con áreas abiertas
Fábricas, laboratorios o similares
Oficinas, hoteles o similares
Lugares públicos: iglesias, teatros, cines,etc.
Escuelas,hospitales o similares
Valor del factor C1
0,3
0,7
1
1,2
1,3
1,7
C2: factor de corrección por uso de la instalación, los diversos valores que puede tomar están
presentados en la tabla VIII.
C3: factor de corrección por el contenido de la instalación, los diversos valores que puede tomar
están presentados en la tabla IX.
C4: factor de corrección por la situación de la instalación, los diversos valores que puede tomar
59
TABLA VIII: Factor de corrección por tipo de estructura C2.[11]
Característica
Estructura y techo de metal o acero reforzado
Estructura de metal o acero de refuerzo y techo de
otro material no metálico
Estructura de y techo de materiales prefabricados
como concreto o fibras
Estructura y techo de materiales inflamables
Valor del factor C2
0,1
0,3
1,2
2
TABLA IX: Factor de corrección por el contenido de la estructura C3.[11]
Característica
Uso doméstico o de oficinas sin valor
Edificios industriales o de agricultura
Estaciones eléctricas, de gas o telecomunicaciones
Edificaciones industriales clave, monumentos históricos, museos, etc.
Escuelas, hospitales o lugares públicos
Valor del factor C3
0,3
0,8
1
1,3
1,7
están presentados en la tabla X.
TABLA X: Factor de corrección por la situación de la estructura C4.[11]
Característica
Estructura situada en un espacio donde hay otras estructuras
o árboles de la misma altura o más altos
Estructura situada en un espacio donde hay otras estructuras
o árboles de la misma altura o más bajos
Estructura completamente aislada
Valor del factor C4
0,4
1
2
C5: factor de corrección por tipo de terreno, los diversos valores que puede tomar están presentados en la tabla XI
Para el cálculo de Np es necesario tener en cuenta los siguientes factores relacionados con la
estructura a proteger.[12]
Tipo de construcción.
Presencia de sustancias inflamables.
Medidas adoptadas para reducir los efectos de las descargas atmosféricas.
60
TABLA XI: Factor de corrección por tipo de terreno C5.[11]
Característica
Plano
En pequeñas colinas
Montañas <1000 msnm
Montañas >1000 msnm
Valor del factor C5
0,3
1
1,3
1,7
Tipo e importancia del servicio público relacionado a la edificación.
El valor de los bienes que podrían resultar afectados.
Para calcular Nd empleamos la siguiente fórmula:
N d = N g.Ae,10−6 por año
(8.3)
Donde: Ng es la densidad anual de descargas atmosféricas a tierra (por Km2 por año) concerniente a la región donde la estructura está localizada
Ae es el área equivalente de la estructura (en m2). El área equivalente de la estructura se define
como el área de superficie de tierra con la misma frecuencia anual de descargas atmosféricas directas
que la estructura.
La densidad de descargas atmosféricas a tierra, Ng, se calcula de la siguiente manera:
N g = 0, 04.T d,1, 25porKm2 por año
(8.4)
Donde: Td es el número de días de tormenta al año obtenidos de los mapas isoceráunicos.
Ahora, para el cálculo del área equivalente de la estructura a proteger se emplea la siguiente
ecuación:
Ae = L.W + 2.L.H + π ∗ H 2
Donde:
H es la altura de la estructura
(8.5)
61
L es el largo de la estructura
W es el ancho de la estructura
Dichas dimensiones salen reflejadas en la figura 19
Figura 19: Área equivalente de la estructura a proteger.
Para determinar si se requiere un SPDA para la estructura en cuestión es necesario comparar
Nr con Np
Para estructuras convencionales, suele utilizarse como criterio un valor de N p = 1x10−5 , esto
significa un daño real cada cien mil eventos.
Si Nr <Np, no se necesita un SPDA.
Nr >Np, se debe instalar un SPDA.
Si se debe instalar un SPDA, es necesario determinar el nivel de protección con el cuál debemos
proveer a la instalación. Para establecer el nivel de protección debemos calcular la eficiencia del
SPDA.
Como se indicó antes en la fórmula 8.2 para el cálculo de la eficiencia es:
E >1−
Nr
Np
El nivel de protección se determina de la tabla XII.
(8.6)
62
TABLA XII: Eficiencia del SPDA de acuerdo al Nivel de Protección seleccionado.[11]
Nivel de Protección
I
II
III
IV
8.6.
Eficiencia
0,98
0,95
0,9
0,8
Diseño del sistema de protección contra descargas atmosféricas
En el siguiente apartado se verá como influye el nivel de protección escogido en el diseño y
escogencia de los componentes del SPDA.
8.6.1.
Sistema de terminación de aire
Para diseñar los sistemas de terminación de aire se pueden utilizar los siguientes métodos[12]:
Angulo Protector.
Esfera Rodante.
Método de mallas.
8.6.1.1.
Ángulo protector
Los conductores, mástiles y barras, que forman parte del Sistema de Terminación de Aire, deben
ser instalados de forma tal que todas las partes de la edificación que se busca proteger se encuentren
incluidas en la superficie generada por los puntos proyectados por los conductores de este sistema
respecto a un plano de referencia, con un ángulo a respecto a la vertical en todas las direcciones.
El ángulo protector a debe respetar los lineamientos de la Tabla XIII de la norma IEC 61024-1,
donde h es la altura del Sistema de Terminación de Aire con respecto a la superficie a ser protegida.
En la figura 20 se observa cómo un punto simple genera un cono y cómo se crea el espacio
protegido por los distintos conductores del Sistema de Terminación de Aire.
En donde:
63
TABLA XIII: Parámetros de acuerdo a los Niveles de Protección seleccionados para el SPDA.[12]
Nivel de Protección
I
II
III
IV
h=20m
25◦
35◦
45◦
55◦
h=30m
h=45m
h=60m
25◦
35◦
45◦
25◦
35◦
25◦
A : cabeza del captador
B : Plano de referencia
OC : Radio del área protegida
ht : altura del captor sobre el plano de ref.
α : ángulo de protección
Figura 20: Espacio protegido por el Sistema de Terminación de Aire formado por un solo mástil.
En la Tabla XIII se observa también cómo el ángulo a varía con respecto a la altura a la cual se
instala el Sistema de Terminación de Aire respecto a la superficie a ser protegida.
Es importante resaltar que el método del ángulo protector tiene limitaciones geométricas y no
debe aplicarse si la altura h es mayor que el radio R de la esfera rodante (método que se explica
a continuación); con lo que queda en evidencia que este método se utiliza preferiblemente para la
protección de estructuras simples o zonas pequeñas de edificaciones más grandes.
8.6.1.2.
Método de la esfera rodante
El método de la esfera rodante debe utilizarse para identificar el espacio protegido de la estructura cuando la Tabla XIII excluye la utilización del método del ángulo protector.[12]
64
El radio de la esfera se escoge de acuerdo al nivel de protección seleccionado para el SPDA y se
observa en la Tabla XIV.
TABLA XIV: Radio la esfera de atracción según el nivel de protección.[12]
Nivel de Protección
I
II
III
IV
Radio de la esfera (m)
20
30
45
60
Para determinar el espacio protegido utilizando el método de las esferas rodantes, se sigue el
siguiente procedimiento:
Se reproducen los objetos a proteger (edificios, estadios deportivos, o instalaciones industriales)
y los dispositivos del Sistema de Terminación de Aire previstos en un modelo. Después se
construye una esfera, de acuerdo con la escala del modelo, con el radio correspondiente al
nivel de protección seleccionado para el SPDA (tal y como se mencionó con anterioridad). El
modelo electrogeométrico se basa en considerar que el centro de la esfera se corresponde con
la cabeza de la descarga directriz, la cual se ha aproximado tanto a la tierra que la descarga
de captación, que se produce desde el objeto puesto a tierra más próximo a ella, da lugar a la
unión con la descarga (cabeza ascendente o líder ascendente).
La “esfera de atracción” se hace pasar rodando alrededor de todo el modelo y también en
todas las posiciones posibles. Si al hacer esto, la esfera solamente toca los dispositivos del
Sistema de Terminación de Aire, ello indica que el objeto se encuentra totalmente situado
dentro del espacio de protección. Si no se tocan algunos de estos dispositivos, los mismos
pueden considerarse superfluos. Si la esfera, al hacerla girar por encima del modelo, toca el
objeto a proteger en algún punto, dicho objeto se encuentra insuficientemente protegido en
este punto, y hay que completar la instalación de los elementos de protección contra descargas
atmosféricas de forma que la esfera toque solamente éstos.
La figura 21 ejemplifica la aplicación del método.
65
Figura 21: Aplicación del método de la esfera rodante.
8.6.1.3.
Método de mallas
Se considera que para la protección de superficies planas se puede utilizar una malla si se
satisfacen las siguientes condiciones:
Los conductores del Sistema de Terminación de Aire se localizan sobre las líneas de los bordes
de los techos o azoteas de las edificaciones.
Las superficies laterales de la edificación están equipadas con Sistemas de Terminación de Aire
para niveles por encima del valor del radio de la esfera rodante correspondiente.
Las dimensiones de la cuadrícula de la red de Terminación de Aire no son mayores que las
estipuladas por la Tabla XV extraida de la norma IEC 61024-1.
La red del Sistema de Terminación de Aire se instala de forma tal que se garantice que la
corriente proveniente de la descarga atmosférica siempre encontrará por lo menos dos rutas
de metal distintas hacia la tierra del Sistema de Terminación de Tierra y se tiene especial
cuidado en no excluir partes de metal pertenecientes a la edificación y que deben ser incluidas
dentro del volumen protegido.
66
TABLA XV: Dimensiones de la malla según el nivel de protección
Nivel de Protección
I
II
III
IV
Ancho de la malla (m)
5
10
10
20
La figura 22 ejemplifica la aplicación del método.
Figura 22: Aplicación del método de mallas.
Todo el espacio de la edificación situado por debajo de esta red, puede considerarse como protegido, sin embargo, para edificaciones cuta altura supera los 30 metros, se deben proteger las paredes
laterales con elementos de atracción (conductores) dispuestos horizontalmente para prevenir las
descargas laterales (a partir de los 30 metros de altura, hay que instalar estos elementos cada 20
metros)
8.6.2.
Sistema de conductores bajantes
La selección del número y posición de los conductores bajantes debe tomar en cuenta el hecho
que, si la corriente proveniente de la descarga atmosférica se divide entre varios conductores bajantes,
se pueden reducir los riesgos de descargas laterales entre éstos así como también las perturbaciones
67
electromagnéticas en el interior de la estructura protegida. En este sentido, los conductores deben
colocarse de forma uniforme alrededor del perímetro de la edificación y con una configuración
simétrica asegurando una continuación directa de los conductores del Sistema de Terminación de
Aire.
Es importante destacar que los conductores bajantes deben:
Tener los calibres estipulados por la Tabla XVI, extraida de la norma IEC 61024-1.
Ser tan cortos como sea posible (para mantener los valores de inductancia bajos).
La distancia promedio entre conductores respeta los valores establecidos por la tabla XVII
TABLA XVI: Calibre de los conductores bajantes de acuerdo a la norma IEC 61024-1 para todos
los niveles de protección
Material
Cu
Al
Fe
Calibre del conductor
AWG #8
AWG #8
AWG #4
TABLA XVII: Distancia Promedio de los conductores bajantes de acuerdo al Nivel de Protección
seleccionado para el SPDA.
Nivel de Protección
I
II
III
IV
8.6.3.
Distancia promedio (m)
10
15
20
25
Sistema de terminación de tierra
Para efectos de las descargas atmosféricas es más importante la forma y las dimensiones del
sistema de tierra que los valores específicos de las resistencias de los electrodos; sin embargo, se
recomienda un valor de resistencia pequeño para los electrodos, ya que el valor de la resistencia del
Sistema de Terminación de Tierra para eventos transitorios (tal como es el caso de las descargas
atmosféricas) depende de la configuración geométrica del sistema y de la resistencia de los dichos
68
electrodos. Los estándares internacionales (IEEE 142) recomiendan un rango de valores para la
resistencia del Sistema de Terminación de Tierra alrededor de los 10 Ω.
Capítulo 9
DISEÑO DEL SISTEMA DE
PUESTA A TIERRA DEL CMDLT
9.1.
Resistencia objetivo
La resistencia objetivo a lograr con este diseño, siguiendo las recomendaciones presentadas en el
capitulo V, debe estar comprendida entre 2 Ω y 5 Ω, lo cual es considerado un valor muy adecuado
para este tipo de instalación, debido a la diversidad de cargas y requerimientos de seguridad.
La resistencia de puesta a tierra que se desea conseguir estará comprendida entre los siguientes
valores.
2Ω < RP AT < 5Ω
9.2.
(9.1)
Localización
El sistema de electrodos de la puesta a tierra se localizará en los jardines adyacentes a la
edificación, como se muestra en la figura 23, dichos jardines ocupan un área de aproximadamente
820 m2 distribuidos como se presenta en la figura 24.
69
70
Figura 23: Ubicación propuesta del electrodo de tierra.
Figura 24: Dimensiones del área propuesta para la instalación del electrodo.
71
9.3.
Resistividad del terreno
El estudio de la resistividad del terreno, necesario para el diseño y cálculo del sistema de puesta
a tierra fue realizado por Joffre Carmona & Asociados.
Para la medición de la resistividad se empleo el método Wenner, efectuando un grupo de mediciones para separaciones entre electrodos de medición iguales a 2,5; 5; 10; 15; 20; 25 y 30 metros
con el propósito de considerar la variación de la resistividad vs. profundidad del suelo.
Los estudios realizados reportan que el área seleccionada presenta dos estratos de terreno de
distinta resistividad, los valores de resistividad y espesor de estrato se presentan en la tabla XVIII
TABLA XVIII: Estudio de la resistividad del terreno.
Resistividad del
1er Estrato [Ω.m]
324,24
Resistividad del
2do Estrato [Ω.m]
31,29
Espesor del
1er Estrato (m)
2,61
Estas mediciones fueron realizadas en época de lluvia, este aspecto puede haber afectado los
valores de resistividad, siendo en realidad un poco más altos. En el anexo A se presenta el informe
proporcionado por la empresa encargada de este estudio.
9.4.
Resistencia de PAT
La resistencia de puesta obtenida en el diseño presenta un valor de 2,885 Ω, lo cual está comprendido satisfactoriamente en el rango pretendido anteriormente en la sección 9.1 . Este valor cumple
lo requerido por el CEN [2] de 25 Ω como valor máximo de la puesta a tierra de una instalación.
El sistema de electrodo queda conformado de la siguiente manera:
Electrodo horizontal
• Geometría: Malla cuadrada.
• Dimensión: 12m x 12m
• Área ocupada: 144 m2
• Calibre conductor: AWG 1/0, 0.006m de radio.
72
• Profundidad de la malla: 1m
Electrodo vertical
• Tipo: Jabalina tipo Copperweld.
• Cantidad: 8 jabalinas.
• Posicionamiento: Distribución equitativa dentro del anillo interno.
• Longitud: 3m cada jabalina.
• Radio: 0.01095m.
En la figura 25 se muestra la configuración del electrodo, las dimensiones y el lugar donde
estarán enterraras y unidas las jabalinas, representadas por los puntos negros.
Figura 25: Configuración del electrodo de tierra.
Las uniones entre conductores y conductores con jabalinas debe realizar empleando soldaduras
exotérmicas, para asegurar el buen contacto entre las piezas y así reducir la resistencia de contacto.
Una posible selección del electrodo hubiese sido instalar varillas alrededor de la estructura conectadas rígidamente a la estructura metálica de la edificación, pero el difícil acceso a la estructura
nos hizo declinar esta opción. Esta solución hubiese arrojado un mejor valor de resistencia de puesta a tierra, ya que el área abarcada sería mucho mayor y garantiza equipotencialidad en toda la
estructura.
73
9.5.
Cálculo de la resistencia de puesta a tierra
A continuación se reportan las ecuaciones empleadas para el cálculo de la resistencia de puesta
a tierra. Estas ecuaciones fueron extraídas de la práctica recomendada IEEE 80-2000 [1].
A continuación se muestra la fórmula de Schwarz, la cual es utilizada para el cálculo estimado
de la resistencia de puesta a tierra.
RG =
2
R1 .R2 − R12
R1 + R2 + 2.R12
(9.2)
R1 es la resistencia de los conductores de la malla.
R1 = (
ρ1
l1
2.l1
)(ln( 0 ) + K1 ( √ ) − K2 )
π.l1
h
A
(9.3)
R2 es la resistencia del conjunto de jabalinas
R2 = (
√
8.l2
l2
ρa
)(ln(
) − 1 + 2.K1 ( √ ).( n − 1K2 )2 )
2.n.π.l2
d2
A
(9.4)
R12 es la resistencia mutua entre los conductores la malla y el conjunto de jabalinas
R12 = (
2.l1
l1
ρa
)(ln(
) + K1 ( √ ) − K2 + 1)
π.l1
l2
A
En donde:
ρ1 : resistividad vista por los conductores de la malla en la profundidad h <O.m>
ρa : resistividad aparente vista por el conjunto de jabalinas <O.m>
H: espesor de la capa superficial del terreno <m>
ρ2 : resistividad del segundo estrato del terreno <O.m>
l1 : longitud de los conductores de la malla <m>
l2 : longitud promedio del grupo de jabalinas
h: profundidad de la malla <m>
h0 : altura aparente
(9.5)
74
A: área cubierta por la malla de conductores <m2>
n: número de jabalinas enterradas en el área A
K1 , K2 : constantes relacionadas a la geometría de la configuración
d1 : diámetro de los conductores de la malla <m>
d2 : diámetro de las jabalinas <m>
Para el cálculo de de K1 y K2 empleamos la siguiente fórmula:
Para el cálculo de la resistividad aparente vista por la jabalina aplicamos la siguiente fórmula.
ρa =
ρ1 .ρ1 .l2
ρ2 .(H − h) + ρ1 .(l2 + h − H)
(9.6)
Sustituyendo los valores presentados la seccion anterior, los resultados fueron los siguientes:
K1 = 1, 15
K2 = 4, 58
ρa = 60, 74 Ω.m
R1 = 13 Ω
R2 = 2, 97 Ω
R12 = 1, 97 Ω
La resistencia total de puesta a tierra resultó:
RG = 2, 885 Ω
9.5.1.
Detalles
Se consideró usar como electrodo horizontal una malla debido a la naturaleza del terreno, el
cual, presenta mucha humedad, por lo cual es un terreno sumamente corrosivo. El electrodo malla
provee una protección ante el problema de la corrosión, ya que asegura continuidad en toda la malla
por si algún conductor es “comido” por la corrosión.
Todas uniones entre las jabalinas y los conductores de la malla se realizarán mediante soldaduras
exotérmicas, adecuadas a los radios de los componentes nombrados.
El electrodo de puesta a tierra se conectará a la instalación a través de la barra maestra colectora
75
de tierra (MGB) y de allí se derivará a los distintos niveles de la instalación.
Las tuberías metálicas subterráneas, la estructura metálica del edificio (si está accesible), los
apantallamientos, deben unirse entre sí y conectarse al sistema de puesta a tierra (SPT) en la barra
maestra colectora de tierra MGB. Los ductos, las bandejas para cableado y las cajas para salidas
tienen que unirse rígidamente con las barras de tierra correspondientes.
Es importante la conexión de todas las tuberías de gas (cualquier naturaleza y propósito) al
sistema de puesta a tierra mediante protección catódica, esto mejora la resistencia de puesta a
tierra y garantiza equipotencialidad entre la instalación y las tuberías.
La grapa de conexión al electrodo del conductor del electrodo de puesta a tierra debe realizarse
en el extremo más cercano a la instalación del electrodo, deberán instalarse dentro de un pozo de
inspección, con tapa removible, instalado a ras con el suelo natural. El pozo de inspección deberá
ser cuadrado con dimensión mínima de 20 centímetros x 20 centímetros (8 pulgadas x 8 pulgadas),
o circular con diámetro interno mínimo de 20 centímetros (8 pulgadas), y tendrá una profundidad
de 15 centímetros (6 pulgadas).
En el anexo C se muestran los detalles de las soldaduras y el pozo de inspección.
9.6.
Transformadores
El neutro del sistema debe conectarse en uno y solo un punto, en el transformador y antes de
cualquier medio de desconexión o dispositivo de protección, tal como lo indica el CEN 250 [2]. Esta
conexión se realizará en la barra maestra colectora de tierra (MGB) ubicada en el mismo cuarto.
A su vez la carcaza del transformador y de los equipos de protección, el neutro y el cable principal
de tierra deben estar puestos a tierra, sin seccionamientos y sin posibilidad de daño.
Los transformadores especificados son DY11, este tipo de transformador se caracteriza por aislar
eléctricamente el primario del secundario, por lo cual el neutro del secundario (conexión Y) del
transformador debe ser puesto a tierra, ya que el circuito conectado al secundario es considerado
una fuente aislada y debe tener su propia conexión a tierra en el neutro.
El sistema del CMDLT presenta tres transformadores (anexo D), debido a la multiplicidad
de circuitos, los cuales son separados unos de otros y no presentan interconexión ninguna, cada
76
transformador representa un sistema derivado separadamente por lo cual cada transformador debe
ser puesto a tierra de forma independiente cumpliendo con el CEN.
9.7.
Celdas
Los dispositivos de maniobra deben ser conectados al sistema de puesta a tierra, para ello
aprovechamos la forma en que se encuentran posicionadas, un módulo al lado de otro. La conexión
a tierra se hará colocando una barra de cobre en el piso, debajo de las celdas, y desde esta barra se
derivaran los conductores para cada módulo en específico.[8]
La barra de tierra de las celdas deberá conectarse a la barra maestra de tierra, ubicada en el
cuarto de transformadores.
9.8.
Generadores
La transferencia automática se realiza con un interruptor de transferencia de 3 polos. Por lo cuál
el neutro del sistema siempre está conectado al sistema de respaldo, por lo que no es considerada una
fuente aislada y por ende no se pone a tierra el neutro de la fuente de potencia alterna (generadores),
para no ofrecer caminos alternativos a la corriente del neutro[8][13]. En la figura 26 se muestra el
esquema de respaldo con el interruptor de transferencia, se evidencia
La carcaza del generador será unida a tierra empleando el Terminal correspondiente mediante
un cable de cobre de calibre AWG #4.
9.9.
Quirófanos
Se recomienda el uso de suelos conductivos, para controlar las cargas estáticas en estas áreas,
drenando a tierra dichas cargas que se producen. Es importante el uso de este tipo de suelo, ya que
en este tipo de áreas, en las cuales se emplean agentes anestésicos inflamables, cualquier chispazo
producto de las cargas estáticas puedan ocasionar incendios o lesiones al paciente.
El suelo del quirófano será de un material conductivo de alta resistencia mecánica para que
no sea afectado por cualquier esfuerzo mecánico producido por equipos de alto peso, ruedas de
77
Figura 26: Sistema de transferencia del sistema de respaldo. [13]
78
las camillas y resistente al corte de algún instrumento afilado. El elemento escogido fue láminas
cuadradas de vinilo duro, que reposan sobre una malla de cobre igual al área del quirófano. Este
tipo de suelo fue escogido por ser la práctica recomendada por el IEEE en su Standard 602-1996[13].
especializada en instalaciones eléctricas en lugares de asistencia médica.
El suelo a emplear es el tipo Conductile (conductive tile), el cuál consiste en mosaicos de vinilo
conductivo y un adhesivo epoxy. El mosaico contiene elementos conductivos de la familia del carbón
distribuidos aleatoriamente en el mosaico para proveer conducción a través del mismo. El adhesivo
epoxy con el cual se instalan los mosaicos provee conducción lateral entre diferentes mosaicos.
Puesto que el Conductile es un material homogéneo con elementos conductivos distribuidos
uniformemente en todo su volumen, retiene su conductividad indefinidamente a pesar del desgaste
superficial. El desempeño del Conductile no depende de tratamientos superficiales, antiestáticos
internos o humedad.
La malla será constituida por conductores de cobre desnudo, calibre AWG #8, formando cuadrículas de 20 cm x 20 cm de dimensión. Esta malla será conectada con el sistema de tierra de la
instalación mediante un cable 2/0, igualmente de cobre.
Las uniones, no necesariamente deben ser mediante soldaduras exotérmicas, pueden emplearse
uniones mecánicas o soldaduras “normales”, siempre y cuando se asegure la fuerte unión entre los
conductores.
La resistencia del suelo debe ser medida y según el Standard IEEE Std.142-1991[8] el valor de
la misma debe estar comprendido entre 25000 Ω y 1000000 Ω.
La norma establece que la resistencia eléctrica debe ser revisada regularmente (1 vez al mes) y
cuando ésta supere los 5.000.000 Ω se deben tomar las precauciones necesarias para restablecer la
resistencia entre los valores establecidos.
9.10.
Sistema de protección contra descargas atmosféricas
El sistema de pararrayos y el nivel de protección de la edificación se llevo a cabo empleando la
normativa europea IEC-61024 y la norma venezolana COVENIN 599-73[14].
El sistema de protección contra descargas atmosféricas está constituido de la siguiente manera.
79
Figura 27: Suelo conductivo para quirófano.
Sistema de terminación de aire.
Sistema de conductores bajantes.
Sistema de terminación de tierra.
9.10.1.
Nivel de Protección
El nivel de protección de un sistema de protección ante descargas atmosféricas se determina
mediante la eficiencia que se requiera para proteger la estructura.
La eficiencia del SPDA se calcula mediante la ecuación 8.2.
E >1−
Nr
Np
(9.7)
Como ya sabemos:
Nr: Índice de riesgo real de la estructura.
Np: Índice de riesgo máximo permitido.
Una vez calculado la eficiencia se procede a determinar el nivel de protección. El nivel de protección se selecciona de la tabla XII.
La fórmula para el cálculo del índice de riesgo real de la estructura es la siguiente:
N r = Ae.N g.K,10−5
80
El área equivalente de la estructura a proteger se calcula empleando la siguiente fórmula.
Ae = LW + 2.L.H + π.H 2
La estructura a proteger presenta una altura de 42 m, un ancho de 40 m y un largo de 47 m,
por los que los valores de las variables H, L y W quedan de la siguiente manera:
H: Altura = 42m L: Largo = 47m W : Ancho = 40
Sustituyendo las variables en la ecuación para el cálculo del área equivalente, este resulta:
Ae = 47,40 + 2,47,42 + π + 422 = 11370m2
La densidad de descargas atmosféricas a tierra, Ng, se calcula de la siguiente manera:
N g = 0, 04.T D1,25
El número de días de tormenta al año de la zona, se obtiene del mapa isoceráunico presentado
en la figura 28. Este valor es aproximado, por lo cual no se asegura su precisión.
TD= 40
Figura 28: Mapa Isoceráunico de Venezuela
sustituyendo resulta: N g = 0, 04,401,25
N g = 2, 8
81
Basado en las características de la edificación se procede a evaluar los distintos factores, para
definir el nivel de protección.
K = Ks.C1.C2.C3.C4.C5
Ks = 1, 1 Factor de seguridad
C1 = 1, 7 Hospital
C2 = 1, 2 Estructura o techo de concreto
C3 = 1, 7 Hospital
C4 = 1 Ubicada en un sitio con estructuras de igual o menor tamaño.
C5 = 1, 3 990 msnm
Sustituyendo, se calcula N r.
N r = 11370,2,8,1, 1,1, 7,1, 2,1, 7,1,1, 3 ∗ 10−6 = 0,158
El resultado de la eficiencia del SPDA fué:
E= 0.99
El nivel de protección seleccionado según la tabla XII es el Nivel I.
9.10.2.
Sistema de terminación de aire
Según el nivel de protección determinamos que radio de atracción deben tener nuestros dispositivos de terminación de aire. En la tabla XIV se muestran los valores correspondientes al radio de
atracción según el nivel de protección.
El radio de atracción de nuestros dispositivos será de 20 m.
A continuación se muestra la aplicación del método de las esferas rodantes (figura 29), este
método nos permite determinar el número de terminaciones de aire necesitadas y su ubicación
(figura 30).
El sistema de captación del rayo serán puntas Franklin convencionales de acuerdo a la norma
COVENIN 599-73 [14] y no es recomendado el uso de puntas ionizantes por su efecto contaminante
sobre el ambiente. Estas deben ser instaladas en un mástil en forma segura por medio de piezas y
soportes garantes de la continuidad y sólida fijación.
82
Figura 29: Aplicación del método de las esferas rodantes.
Figura 30: Ubicación de los pararrayos y el área de protección.
83
El tamaño de las puntas Franklin será de 3 m, estas reposarán sobre mástiles de 3 m de longitud.
En el anexo E, se muestra los planos de ubicación de las puntas captadoras y la interconexión
entre ellas y en el anexo F se muestra el radio de acción de las puntas captadoras sobre la estructura.
9.10.3.
Sistema de conductores bajantes
Es recomendado emplear varios bajantes, como conectar el sistema de pararrayos a la estructura
metálica de la edificación o emplear medios conductores, preferiblemente que bordeen la edificación,
hasta llegar a los electrodos de puesta a tierra.
También se recomienda que cada pararrayo tenga su propio bajante y este llegue a su propio
electrodo, posteriormente este electrodo debe ser conectado al electrodo principal del sistema, para
mantener la equipotencialidad entre todos los electrodos..
Por limitaciones de espacio y de enrutamiento ambos pararrayos se interconectarán y utilizarán
el mismo sistema de bajante. El bajante bordeará la fachada de la edificación hasta el nivel ingreso.
El sistema de bajantes estará constituido por un conductor de aluminio desnudo calibre AWG
1/0 (según la IEC-61024 lo mínimo es un AWG #8), el cual debe estar bien protegido y adecuadamente fijado por medio de sólidas abrazaderas a la edificación, encima del conductor se colocará
una pantalla de plástico para que el conductor no quede a la intemperie. Es importante que los
conductores no presenten curvas agudas y cerradas (radios no menores de 20 cm), ya que estos aumentan la reactancia del conductor y pueden provocar saltos de arco. Por esta razón se recomienda
que las curvas sean lo más suave posible.
Si pasa a menos de un (1) metro de objetos de metal, debe conectarse a los mismos en su parte
superior e inferior, con eficaces uniones, si este no esta puesto a tierra.
En el anexo E, se muestra la ubicación del conductor bajante.
9.10.4.
Sistema de terminación de tierra.
Los bajantes se conectaran a un sistema de electrodo (no el principal), este sistema consistirá de
tres barras Copperweld de tamaño comercial en configuración triangular, interconectadas entre sí
por un conductor de cobre, desnudo de calibre AWG 1/0. Este sistema de electrodo se interconectará
84
con el electrodo principal de la instalación, conectándose a la barra maestra de tierra.
El sistema de terminación de tierra debe encontrarse lo más cercano a la edificación, la distancia
estipulada es 0,5 m y debe tener una caja de inspección para poder realizar la medición de la puesta
a tierra, ubicada a 0,5 m del suelo.
Según el IEEE en el std. 142-1991[8], el sistema de electrodos debe presentar una resistencia
máxima de 10 Ω, este requerimiento queda satisfecho mediante la interconexión con el electrodo
principal que corresponde a 2,885 Ω.
El anexo H muestra la ubicación del electrodo auxiliar de puesta a tierra del sistema de protección
contra descargas atmosféricas.
9.11.
Data Center y oficinas nivel ingreso
9.11.1.
Data Center
En el Data Center se instalará una malla de referencia empleando un piso falso elevado mediante
pedestales de material conductivo, según lo recomienda el IEEE en su standard 1100[15]. Un ejemplo
de esta técnica esta mostrada a continuación:
Primero se rodea el perímetro del cuarto, siguiendo el borde de las paredes, con conductor de
cobre trenzado calibre AWG #6 y se conectan a cada pedestal que este en el camino del conductor.
Los conductores deben conectarse lo más arriba posible de los pedestales, para así evitar daños
cuando se intenta instalar o remover el cableado de servicio eléctrico (y otros sistemas) que pasa
por debajo de la malla.
Todas la tuberías y canalizaciones que se encuentren en el cuarto deben ser conectadas por
separado al lazo perimetral de cobre usando la menor cantidad de cable posible. Lo mismo ocurre
si se encuentran partes de la estructura en el área, estas deben ser conectadas al lazo perimetral
empleando la menor cantidad de cable posible.
Ahora se formará la malla interconectando todos los pedestales existentes con conductor de
cobre trenzado de calibre AWG #6. El conjunto de pedestales y conductores formarán una malla
cuya retícula será de 70 cm x 70 cm, es decir, cada pedestal estará a una de 70 cm equidistante de
otro.
85
Figura 31: Malla de tierra de referencia.
El transformador de bypass del UPS y el módulo del UPS deben ser conectados al pedestal más
cercano (diferentes) empleando la menor cantidad de cable de cobre posible. Es importante revisar
y seguir las recomendaciones del fabricante para la puesta a tierra y conexión de estos equipos.
Los tableros ubicados en el cuarto serán conectados al lazo perimetral de cobre de la malla de
referencia, empleando cables de cobre lo más corto posibles. Todos los conductores que llegan a un
pedestal debes hacer contactos unos con otros y a su vez ser fijados al pedestal.
Por último se conectan todos los equipos almacenados en el cuarto empleando un cable de cobre
lo más corto posible, puede ser conectado tanto a un pedestal como a un conductor que interconecta
dos pedestales, dependiendo de cual es más conveniente.
9.11.2.
Computadoras
El sistema de oficinas administrativas ubicadas en el nivel ingreso se pondrá a tierra a través
de un conductor de tierra aislada (IG). Este sistema de tierra consiste en la discriminación entre el
conductor de tierra de la carcaza de equipos y el conductor propiamente de los equipos (conductor
86
aislado). A continuación se muestra un ejemplo de la conexión de tierra aislada.
Figura 32: Tierra aislada (IG) para computadoras.
Es necesario que la canalización metálica sea conectada a tierra ya que juega un papel importante
en la eficiencia de este tipo de conexión, ya que la canalización será el conductor de tierra de la
carcaza de equipos, tableros y demás cargas que no sean electrónicas sensibles.
El conductor de tierra aislada IG, el cual debe ser identificado por un color verde con franjas
amarillas ( o en su defecto en los extremos) se conectará a la malla de tierra de referencia situada
en el Data Center y el conductor de tierra (canalización metalica), la cual debe estar identificada
con las letras IG en color verde, será conectada a tierra directamente en el tablero de alimentación
del Data Center.
La ventaja esencial de la conexión IG es que controla las conexiones de puesta a tierra de
los equipos electrónicos sensibles para minimizar los problemas asociadas con corrientes descarriadas
de tierra (stray ground current) y no eleva el potencial de referencia de tierra.
Se debe emplear receptáculos especiales tipo IG. El IG de receptáculos difiere de los receptáculos
estándares en dos manera importante, con un receptáculo IG, el receptáculo de tierra se encuentra
aislado eléctricamente del receptáculo del cajetín, lo cual aisla al receptáculo del circuito de tierra
de la tubería metálica puesta a tierra cuando se conecta el receptáculo en un cajetín metálico.
De aquí el término tierra aislada. Segundo: para diferenciar el receptáculo IG de los receptáculos
estándares, la cara del receptáculo se colorea de naranja o se marca con un triángulo anaranjado. El
aislamiento del terminal de tierra en el receptáculo del cajetín es la diferencia eléctrica importante,
87
Figura 33: Tierra aislada (IG) para computadoras.
que existe. Un receptáculo IG se usa a veces a causa de su marca distintiva. De esta manera,
el receptáculo anaranjado nítido indica que el receptáculo será usado exclusivamente para equipo
electrónico sensible y que las otras cargas “sucias” no deberán ser enchufadas en el receptáculo IG.
Figura 34: Receptáculos tipo IG.
9.11.3.
UPS
El UPS se debe conectar a tierra en el neutro del transformador del bypass (conexión Y) o en el
modulo del UPS. Seleccionamos realizar la conexión a tierra en el módulo del UPS porque estaría
más cerca de la carga.[15]
88
La conexión a tierra del UPS se realizará en la malla de referencia del Data Center, que es donde
se encuentra el módulo.
Figura 35: Conexión del UPS.
9.12.
Derivación del sistema de puesta a tierra
El sistema de puesta a tierra se comenzará a derivar en la barra maestra colectora de tierra
(MGB) ubicada en el cuarto de servicio en el sotano 3, donde también se encuentran los transformadores del sistema, de esta MGB saldrán conductores independientes para las distintas barras
ubicadas en los distintos niveles de la instalación.
En el anexo G se muestra el diagrama vertical del sistema de tierra, mostrando como los conductores de tierra, provenientes de la MGB bajan al nivel tunel y de ahí son llevados a las distintas
FGBs a través de los ductos eléctricos.
89
Estas barras de tierra llamadas FGB o barra secundaria colectora de tierra se dispondrán en los
cuartos de servicio de los distintos niveles, y de allí se derivarán a las distintas habitaciones o áreas
las cuales se pondrán a tierra.
En el anexo H se muestra la derivación de la puesta a tierra en el nivel Sótano 3.
9.13.
Canalización
Las canalizaciones de toda la instalación deben estar conectadas al sistema de puesta a tierra
y deben servir de camino paralelo para las corrientes que fluyan a tierra. La utilización de la
canalización mejora considerablemente la resistencia de puesta a tierra.
Los extremos de la canalización debe ser conectada a los tableros mediante terminales especiales
que aseguren la rigidez de la conexión y la continuidad del sistema de tierra.
9.14.
Selección del conductor de tierra
El calibre de los conductores de cobre, aluminio, aluminio con recubrimiento de cobre, para la
puesta a tierra de los equipos, no será menor que lo indicado en la Tabla 250-95 (Anexo I).
El calibre de todos los conductores de los circuitos ramales y alimentadores fueron verificados
si su dimensionamiento era el correcto. Todos los conductores estaban bien dimensionados acorde
con el CEN. Resultados no serán presentados en este informe.
9.15.
Áreas de cuidado de pacientes
9.15.1.
Puesta a tierra de las bases de los Tomacorrientes y Equipos Eléctricos
Fijos.
En áreas usadas para cuidado de los pacientes, los terminales de puesta a tierra de todas las bases
de los tomacorrientes y todas las superficies conductoras no concurrentes de los equipos fijos, que
pueden ser energizados y que están sujetos a contacto personal los cuales operan con tensión mayor
a los 100 voltios, deberán ser colocados a tierra por un conductor de cobre aislado. El conductor de
90
puesta a tierra deberá ser dimensionado de acuerdo a la Tabla 250-95 e instalado en canalizaciones
metálicas con los conductores del circuito ramal que alimentan los tomacorrientes o equipos fijos.
9.15.2.
Tableros
Las barras de terminales de puesta a tierra de equipos en los tableros de los sistemas normal y
emergencia deberán estar interconectadas mediante un conductor continuo de cobre de calibre No.
8. No deben descuidarse los cuartos de baño. Las cadenillas de encender lámparas requieren de un
eslabón aislado, a fin de evitar un choque eléctrico accidental, también son deseables las llaves y los
tomacorrientes con tapa aislada.
Además de las salas destinadas a los pacientes, las destinadas a las enfermeras, como también
sus áreas auxiliares, deben estar dotadas de tomacorrientes y equipos debidamente conectados a
tierra o que tengan doble aislamiento.
9.16.
Eficiencia del SPAT
La puesta a tierra es eficiente cuando cualquiera de dos superficies conductivas descubiertas en la
proximidad del paciente (un área de 1.80 m en todas las direcciones que estén alcance del paciente),
no exceda los 500 mV bajo operación normal a frecuencias de 1000 Hz o menos, medidas a través
de una resistencia de 1000 Ω.
9.17.
Areas de cuidado general.
9.17.1.
Tomacorrientes en los sitios de las Camas de los Pacientes.
Cada sitio de las camas de los pacientes deberá estar provisto, con un mínimo, de cuatro tomacorrientes. Estos podrán ser del tipo sencillo, doble o una combinación de ambos, y deberán ser del
tipo “Adecuado para Hospitales” e identificados de tal manera. Cada tomacorriente deberá estar
puesto a tierra mediante un cable de cobre aislado dimensionado de acuerdo con la Tabla 250-95.
91
9.18.
Áreas de atención crítica
El número de circuitos y receptáculos deben estar acordes a lo que dicta el CEN. Es necesario
un conductor de tierra de equipos con aislamiento y conduit metálica. Todas las tomas deben ser
de grado hospitalario.
9.18.1.
Tomacorrientes de puesto de cama de paciente
Cada puesto de paciente deberá estar provisto de seis tomacorrientes sencillos o tres dobles
puestos a tierra al punto de puesta a tierra de referencia, mediante conductor de cobre aislado de
puesta a tierra de equipos. Todos los tomacorrientes deben ser del tipo “Grado Hospitalario” e
identificarse de forma visible como tales. Cada toma debe ponerse a tierra mediante un conductor
de cobre aislado dimensionado de acuerdo con la Tabla del Anexo I.
9.18.2.
Puesta a tierra e interconexión en la vecindad del paciente
a. Cada puesto para cama de pacientes tendrá un punto de puestas a tierra para equipo del paciente
conectado al punto de puesta a tierra de referencia mediante un conductor de cobre aislado de
No. 8, que vaya directamente al punto de puesta a tierra de referencia o mediante un conductor
conectado en forma permanente al conductor de puesta a tierra de un tomacorriente cercano. El
punto de puesta a tierra para equipo del paciente, donde sea previsto, contara con una o más
clavijas aprobadas para tal fin.
b. Las barras terminales de puesta a tierra de los equipos del tablero normal y del sistema de
emergencia deben ser unidas con un conductor de cobre aislado y continuo de calibre No. 8.
Cuando más de dos (2) paneles alimentan la misma área este conductor debe ser continuo entre
ellos.
c. Se preverá uno o más puntos de interconexión de un ambiente y serán puestos a tierra al punto
de referencia por medio de un conductor de cobre aislado y continuo de calibre No. 8.
d. Las superficies conductivas fijas descubiertas en la vecindad del paciente y con probabilidades de
ser energizadas, serán conectadas al punto de interconexión del ambiente o al punto de puesta a
92
tierra de la referencia mediante conductores continuos de cobre o mediante las partes conductivas
de las estructuras. En caso de instalarse conductores de interconexión, deben ser colocadas en
forma radial o de anillo según el caso.
Excepción
Las superficies conductivas pequeñas empotradas en paredes sin probabilidad de ser energizadas,
tales como colgador de toallas, dispensador de jabón, espejos o similares. De igual manera las
superficies metálicas sin probabilidad de ser energizadas (tales como marcos de ventanas y puertas)
no necesitan ser puestos a tierra intencionalmente mediante conexión al punto de interconexión del
ambiente.
a. Los requisitos del párrafo d no se aplicaran a utensilios portátiles o muebles (Ej. Estantes al lado
de las camas, mesas de cama, sillas, soportes para aparatos de TV, jarras, platos y similares).
b. Cualquiera de los puntos de conexión y puesta a tierra de los numerales a, b, c y d pueden
conectarse entre sí para formar un solo punto.
c. Un puesto para cama de paciente no estará servido por más de un punto de puesta a tierra de
referencia.
9.18.3.
Puesta a Tierra del Tablero.
Cuando se utiliza un sistema de distribución eléctrica puesto a tierra, o hay instalados canales
de alimentación metálicos o cables del tipo MC y MI, la puesta a tierra del tablero o del cuadro de
distribución deberá estar asegurada mediante una de las siguientes maneras en cada terminación
o punto de unión del canal o del cable tipo MC o MI: 1) Una boquilla de puesta a tierra y un
conductor continuo de cobre, del tamaño estipulado en el Artículo 250-95, donde se proporcione
una conexión de boquilla de contratuerca. 2) Conexión de canales de alimentación para tubos
roscados en las terminaciones. 3) Otros dispositivos aprobados, tales como contratuercas de tipo
adherente o boquillas.
93
9.18.4.
Puesta a Tierra de Tomacorrientes Especiales.
El conductor de puesta a tierra del equipo de tomacorrientes especiales tales como aquellos para
la operación de los equipos móviles para rayos X serán extendidos hasta el punto de puesta a tierra
de referencia de los circuitos ramales de todos los lugares a ser servidos desde dichos tomacorrientes.
Cuando un circuito de éstos es servido desde un sistema aislado no puesto a tierra, el conductor
puesto a tierra no tiene que estar con los conductores de potencia; sin embargo, el terminal del equipo
de puesta a tierra de los tomacorrientes especiales deberá estar conectado al punto de puesta a tierra
de referencia.
9.18.5.
Eficiencia del SPAT
La puesta a tierra es eficiente cuando cualquiera de dos superficies conductivas descubiertas en
la vecindad del paciente que esta en áreas de cuidado critico, no sobrepase los 20 mV, medidas
a través de una resistencia de 1000 Ω. En consecuencia la impedancia límite entre dos superficies
(eléctricamente conductoras) expuestas sea de 0.2 Ω.
9.19.
Áreas Húmedas
Son áreas de cuidados de pacientes normalmente sujetas a condiciones de humedad mientras los
pacientes están presentes. Estos incluyen líquidos sobre el piso o que humedecen el área de trabajo,
ya sea que cualquiera de estas condiciones esté ligada al paciente o al personal del hospital. Los
procedimientos rutinarios y el derrame accidental de líquidos no definen un lugar húmedo. Las áreas
de cuidado crítico y de cuidados generales también deben considerarse como áreas húmedas.
9.19.1.
Técnicas de protección
a)Los equipos conectados por enchufe o cordón deben tener un conductor de tierra del equipo
de calibre No. 10 y un enchufe del tipo con puesta a tierra.
b)Todos los tomacorrientes y equipos fijos dentro de estas áreas, deben estar provistos de interruptores con protección contra falla a tierra si se puede permitir la interrupción del circuito bajo
falla o un sistema de potencia aislado, si tal corte no puede permitirse.
94
Es apropiado el uso de interruptores de falla a tierra (GFCIs) cuando es admisible una interrupción de la energía, cuando no, se debe emplear alimentación aislada como lo indica el CEN.
La determinación si las unidades de diálisis es un área húmeda depende de la unidad, del tipo de
equipo.
9.20.
Áreas para anestesia
9.20.1.
Lugares clasificados como peligrosos
En un local donde se emplean anestésicos inflamables, el área completa será clasificada como un
lugar Clase I, División 1, hasta una altura de 1,5 metros sobre el nivel del piso. El resto del volumen
del local hasta la placa del techo se considera como espacio por encima de lugares (clasificados)
peligrosos.
Cualquier habitación o lugar en el cual se almacenen anestésicos inflamables o desinfectantes
volátiles inflamables será considerado como lugar Clase I, División 1, del piso al techo.
9.20.2.
Lugares diferentes a los clasificados como peligrosos
Cualquier lugar, incluido los quirófanos, salas de partos, cuartos de anestesia, corredores, cuartos
de faena, utilizados y designados para uso de anestésicos no inflamables será clasificados como lugares
diferentes al peligroso.
9.20.3.
Equipos y puestas a tierra
En cualquier área de anestesia se conectaran a tierra todas las canalizaciones metálicas y todas
las partes conductoras de equipos fijos o portátiles que no transporten corriente, exceptuando, los
equipos que funcionen a menos de 8 voltios entre conductores que no necesitan puesta a tierra.
9.20.4.
Dentro de locales de anestesia
a)Todos los equipos aquí utilizados deberán ser aprobados para las atmósferas peligrosas involucradas (éter etílico, etileno o gases o vapores de riesgo similar), adicionalmente deben ser equipos
95
aprobados para Clase I, División 1.
b)Los enchufes y tomacorrientes en lugares (clasificados) peligrosos Clase I, Grupo C, debe estar
provistos de contacto para la conexión del conductor de puesta a tierra.
c)Los cordones flexibles, usados en áreas peligrosas, para conectar equipos portátiles incluyendo
lámparas, que operen a mas de 8 voltios entre conductores, deberá ser de un tipo aprobado para
uso extra- pesado.
9.20.5.
Por encima de ambientes de anestesia peligrosos
a)Los enchufes y tomacorrientes deben ser aprobados para uso especial de hospitales (Grado
Hospitalario) y para servicios de determinadas tensiones, frecuencias, rango y numero de conductores
con provisión de conexión a tierra. Este requisito solo se aplica a enchufes y tomacorrientes de 2
polos, 3 hilos, tipo de puesta a tierra, para corriente alterna monofásica de 120 voltios nominales.
b)Los enchufes y tomacorrientes para conectar equipos médicos de 250 voltios, 50 y 60 amperios
C.A., deberán ser diseñados de tal forma que el tomacorriente de 60 amperios acepte un enchufe con
capacidad de 50 a 60 amperios. Los tomacorrientes de 50 amperios no deben aceptar enchufes de
60 amperios. Los enchufes deben ser del tipo 2 polos, 3 hilos con un tercer contacto que conecte el
conductor aislado de puesta a tierra del equipo (verde o verde con bandas amarillas), en el sistema
eléctrico.
9.20.6.
Diferentes de ambientes de anestesia peligrosa
a)Los enchufes y tomacorrientes deben ser aprobados para uso especial de hospitales (Grado
Hospitalario) y para servicios de determinadas tensiones, frecuencias, rango y numero de conductores
con provisión de conexión a tierra. Este requisito solo se aplica a enchufes y tomacorrientes de 2
polos, 3 hilos, tipo de puesta a tierra, para corriente alterna monofásica de 120, 208 o 240 voltios
nominales.
b)Los enchufes y tomacorrientes para conectar equipos médicos de 250 voltios, 50 y 60 amperios
C.A., deberán ser diseñados de tal forma que el tomacorriente de 60 amperios acepte un enchufe con
capacidad de 50 a 60 amperios. Los tomacorrientes de 50 amperios no deben aceptar enchufes de
60 amperios. Los enchufes deben ser del tipo 2 polos, 3 hilos con un tercer contacto que conecte el
96
conductor aislado de puesta a tierra del equipo (verde o verde con bandas amarillas), en el sistema
eléctrico.
9.21.
Instalaciones para Rayos X
9.21.1.
Protección y Puesta a Tierra.
9.21.1.1.
Las Partes de Alto Voltaje.
Todas las partes de alto voltaje, incluyendo los tubos de rayos X, deberán estar instaladas dentro
de recubrimientos puestos a tierra. Para aislar el alto voltaje del recubrimiento de puesta a tierra se
usarán medios aislantes tales como el aire, aceite, el gas o cualquier otro medio aislante. La conexión
del equipo de alto voltaje hacia los tubos de rayos X y otros componentes de alto voltaje deberá
realizarse mediante cables de alta tensión con pantalla.
9.21.1.2.
Partes Metálicas que no Transportan Corriente.
Las partes metálicas que no transportan corriente del equipo de rayos X y otros equipos asociados
(controles, mesas, soportes de tubos, tanques de transformadores, cables con pantallas, cabezas de
tubos de rayos X, etc.) deberán ser colocados a tierra tal como se especifica en la Sección 250, con
la modificación estipulada en los Artículos 517-13(a) y (b) [16].
9.22.
Pasillos
Se recomienda un conductor de puesta a tierra de equipos con aislamiento y conduit de metal, así
como receptáculos grado hospital o equivalente son recomendados y que sean resistentes a esfuerzos
mecánicos. Se emplean este tipo de receptáculos por seguridad, ya que en ellos se conectan equipos
como aspiradoras que entran en las habitaciones.[13]
Capítulo 10
CONCLUSIONES
El buen diseño un sistema de puesta a tierra es garante de seguridad y protección de las personas
y equipos, y más en una instalación de asistencia médica, donde las personas son más susceptibles
a las descargas y estas puedes afectar su estado clínico.
En una instalación de este tipo son muchos los elementos que hay que considerar a la hora de
diseñar el sistema de puesta a tierra, ya que por la naturaleza y diversificación de su carga requiere
que cada elemento sea visto y estudiado de manera específica.
Es importante que el diseño de un sistema de puesta a tierra sea desarrollado a la par del
proyecto de instalaciones, para que el desarrollo de ambos sea integral y complementario y este
garantice el real funcionamiento de todo el sistema.
La dificultad de adaptar un sistema de puesta a tierra a una construcción en desarrollo no
garantiza el eficiente funcionamiento del sistema de puesta a tierra, ya que los electrodos no pueden
ubicados tan cerca de la instalación como se desee, aumenta la longitud de los conductores y a veces
no se pueden aplicar los criterios adecuados y recomendados.
Es importante señalar que las normas en este tipo de instalaciones están muy dispersas y no
son realmente completas, por lo cual es recomendable que el organismo nacional encargado de las
normas en materia eléctrica, el CEN, considerara un capítulo especial para los sistemas de puesta
a tierra de este tipo instalación y abarcara el tema de la puesta a tierra desde todos sus enfoques.
97
Bibliografía
[1] ´´IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding”
IEEE Std 80-2000. 2000.
[2] CODELECTRA.
´´Covenin 200: Código Eléctrico Nacional.”
Capítulo 250. Caracas. 1990
[3] Lamothe Approvals
Disponible en:
Inc.http://www.lamothe-approvals.com/Articles/commonsymbols.htm
[4] Favio Casas Ospina
“Tierras: Soporte de la Seguridad Eléctrica”
Colombia. 1998.
[5] Colaboradores de Wikipedia.
Resistividad [en línea]. Wikipedia, La enciclopedia libre, 2006.
Disponible en: <http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Resistividad&oldid=6040837>.
[6] Colaboradores de Wikipedia.
Rayo [en línea]. Wikipedia, La enciclopedia libre, 2007 .
Disponible en: <http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Rayo&oldid=6821732>.
98
99
[7] Miguel Martinez Lozano
´´Diseño de Sistemas de Puesta a Tierra, Parte 1-Teoría”
Caracas, Venezuela.
[8] ´´IEEE recommended practice for grounding of industrial and commercial power systems.”
IEEE Std 142-1991 (Green Book). 1991.
[9] ´´IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System.”
ANSI-IEEE Std 81-1983. 1983.
[10] GTE “Manual Técnico del Ingeniero Electricista”
Caracas. 1988.
[11] Miguel Martinez Lozano
“Protección Contra Decargas Atmosféricas”
Caracas, Venezuela.2004.
[12] LILIANA COROMOTO DÍAZ GOLDING
“Compatibilidad Electromagnética de Equipos Electrónicos ante Descargas Atmosféricas”
Caracas, Venezuela.
[13] “IEEE Recommended Practice for Electric Systems in Health Care Facilities”
IEEE Std. 602-1996 (White Book). 1996.
[14] CODELECTRA.
´´Código de Protección contra rayos”
Covenin 599-1973. 2da Edición. Caracas, Venezuela.
[15] “IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment”
IEEE Std. 1100-1992. 1992.
[16] CODELECTRA.
´´Covenin 200: Código Eléctrico Nacional.”
Capítulo 517. Caracas. 1990
100
[17] Miguel Martinez Lozano.
´´Técnicas Modernas para la Medición de Sistemas de Puesta a Tierra en Zonas Urbanas”
Caracas, Venezuela.