Sistemas de puesta a tierra y protección contra descargas atmosféricas
En pocas palabras consiste en la conexión de equipos eléctricos u electrónicos a tierra, esto es pasando por el cable hasta llegar al terreno donde se encuentra una pieza de metal llamada electrodo en donde se hace la conexión mediante la cual circula la corriente no deseada o las descargas eléctrica evitando que se dañen aparatos, maquinaria o personas. Las tierras físicas tienen una importancia vital para proteger el equipo eléctrico y electrónico y se hace mediante una conexión que permiten dar seguridad patrimonial y humana, ya que de improvisto pueden surgir descargas, sobrecargas o interferencias que dañan severamente el equipo. Su principal función es forzar o drenar al terreno las intensidades de corriente que se puedan originar por cortocircuito, por inducción o por alguna descarga atmosférica.
I. INTRODUCCIÓN
Los Sistemas de Puesta a Tierra (SPAT) se instalan con la finalidad de garantizar la conexión del potencial a tierra de los equipos que lo requieran (transformadores, motores, etc) y la integridad del personal y suscriptores de la empresa.
Este diseño tradicionalmente se ha realizado en función de la resistividad del terreno, donde será ubicado el SPAT, y el límite máximo establecido para el valor de la resistencia de la toma de tierra por las normas nacionales e internacionales, y los limites permisibles de voltajes para las personas y equipos.
Pero además el SPAT se utiliza, para drenar a tierra las sobretensiones, por la operación de los descargadores de sobretensiones, vulgarmente denominados pararrayos.
En el caso de tomas con resistencia de tierras muy elevadas, la operación de estos descargadores puede que no sea efectiva ocasionando la circulación de corrientes de fallas sobre las superficies aislantes de los elementos de la red, provocando posibles danos de los equipos, riesgo eléctrico en las personas e interrupciones del servicio eléctrico.
Especial importancia reviste el hecho de que al circular estas corrientes por las tomas de tierra, aparecen diferencias de potencial, las cuales podrían exceder el umbral de tolerable por los seres humanos, de ahí que estas condiciones transitorias puedan degenerar en riesgo eléctrico a las personas y que deben ser tomadas muy en cuenta para el diseño del sistema a utilizar.
En este artículo se muestran un breve bosquejo de los conceptos asociados a los sistemas de puesta a tierra además de fundamentos del proceso de descarga atmosférica u los sistemas de protección asociados.
SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
La palabra aterramiento es comúnmente utilizada (de manera poco elegante) en sistemas eléctricos de potencia, para cubrir los sistemas de puesta a tierra y el aterramiento de equipos y del neutro.
La puesta a tierra comprende cualquier conexión metálica, sin fusible, ni protección alguna, de sección suficiente, entre una parte de una instalación y un electrodo o placa metálica, de dimensiones y situaciones tales que, en todo momento, se pueda asegurar que los elementos se encuentran al mismo potencial de tierra.
A. Objetivo
Las razones que más frecuentemente se citan para tener una un SPAT son:
– Proporcionar una impedancia suficientemente baja para facilitar la operación satisfactoria de las protecciones en condiciones de falla.
– Asegurar que personas presentes en la estación, no queden expuestos a potenciales inseguros, en régimen permanente o en condiciones de falla.
– Mantener los voltajes del sistema dentro de límites razonables bajo condiciones de falla (tales como descarga atmosférica, ondas de maniobra o contacto inadvertido con sistemas de voltaje mayor), y asegurar que no se exceda el voltaje de ruptura dieléctrica del aislante.
– Limitar el voltaje a tierra sobre materiales conductivos que circundan conductores o equipos eléctricos.
Otras razones citadas menos frecuentemente, incluyen:
– Estabilizar los voltajes fase a tierra en líneas eléctricas bajo condiciones de régimen permanente, por ejemplo, disipando cargas electrostáticas que se han generado debido a nubes, polvo, agua, nieve.
– Proporcionar una trayectoria alternativa para las corrientes inducidas y de tal modo minimizar el ruido eléctrico en cables.
– Proporcionar una plataforma equipotencial sobre la cual pueda operar equipo electrónico.
Para desempeñarse adecuadamente cumpliendo cualquiera de las funciones anteriores, el SPAT debe generalmente tener una baja impedancia, de modo que ya sea dispersando o recogiendo corriente desde el terreno, no se produzca un aumento de voltaje excesivo.
DISENO DE SPAT
Para el diseño de un SPAT en general es necesario identificar los distintos elementos que lo conforman y los factores que de una u otra podrían afectarlo, para así determinar cual es el camino más fiable en la implementación del mismo, garantizando un sistema confiable, seguro y de larga duración.
1) Resistividad del Terreno
Esta es la magnitud característica de toda materia, que expresa su aptitud para la conducción de corrientes eléctricas.” representa la resistencia de una materia considerada, cuyas dimensiones son la unidad, por ejemplo un cubo de un metro de lado la resistividad será expresada en (Ohm-m).
Las medidas de resistividad de la tierra tienen un triple propósito:
1. Este tipo de datos es usado para realizar reconocimientos geofísicos debajo de la superficie como ayuda para identificar zonas de mineral, profundidades de roca y otros fenómenos geológicos.
2. La resistividad posee un impacto directo sobre el grado de corrosión en tuberías bajo tierra. Una baja resistividad, tiene relación con un aumento en actividad corrosiva y así dicta el tratamiento protectivo a usar.
3. La resistividad de la tierra afecta directamente el diseño de un sistema de toma de tierra y a este último propósito es el que será explicado en el presente trabajo.
Al diseñar un SPAT extenso, es recomendable localizar el área de menor resistividad de la tierra para conseguir la instalación de puesta a tierra más económica.
La resistividad del terreno varía ampliamente y afectada por varios aspectos: Naturaleza del terreno, humedad, temperatura, salinidad, estratigrafía, variaciones estacionales, factores de naturaleza eléctrica, compactación.
¿Qué es un electrodo? Entre los elementos que se deben usar para la instalación del sistema de tierra física destaca el electrodo, que por lo general es una pieza de metal, cobre la mayoría de las veces que debe ser resistente a la corrosión por las sales de la tierra, esta pieza va enterrada a la tierra a una profundidad variable para servir como el elemento que tendrá como función disipar la corriente a tierra en caso de alguna sobrecarga o falla de la instalación o incluso un rayo.
Tipos de electrodo para tierra física
Para poder realizar una instalación de puesta a tierra es indispensable contar con un electrodo, aun que no los recomendamos todos es necesario hacer referencia a ellos ya existen diversos tipos, a continuación la descripción de los más comunes. Sistemas convencionales de tierra física
Varilla: este tipo de electrodo se forma por un perfil de acero galvanizado puede tener forma de cruz, t o ángulo recto.
Rehilete: se forma de dos placas de cobre cruzadas, las cuales van soldadas. Es usado en terrenos donde es difícil excavar, ya que tiene un área mayor de contacto.
Placa: Se usa en terrenos con alta resistividad ya que tiene una gran área de contacto. Debe tener un área de por lo menos 2000cm cuadrados y un espesor aprox. de 6.4mm en materiales ferrosos y 1.52mm en materiales no ferrosos.
Electrodo en estrella: se utilizan en el campo porque por la longitud del cable se obtiene un valor de resistencia menor.
Malla: se forma armando una red de conductores de cobre desnudos y se mejora con algunos electrodos.
¿Qué son los protectores contra rayos y sobretensiones?
Los protectores contra rayos y sobretensiones son dispositivos cuyo propósito es eliminar transitorios en un conductor que son inducidos por la actividad de rayos cercana. Se utilizan para prevenir daños a equipos electrónicos valiosos de estos picos y sobretensiones de alto voltaje.
¿Cómo se usan los protectores contra rayos y sobretensiones?
Un protector contra sobretensiones y sobretensiones se utiliza en línea entre dispositivos como antenas y amplificadores y radios o entre conexiones en conmutadores Ethernet y enrutadores. Están conectados a través de cables de cobre (Coaxial, UTP, etc.).
¿Dónde se usan los protectores contra rayos y sobretensiones?
Los protectores contra rayos y sobretensiones se usan en muchas aplicaciones diferentes incluyendo redes inalámbricas al aire libre, instalaciones de red Ethernet en interiores/exteriores y en cualquier caso donde el potencial de una sobretensión podría dañar o destruir el equipo de comunicaciones. También pueden usarse para proteger equipos de video que utilizan cámaras PoE montadas al aire libre.
El uso de protectores contra sobretensiones para proteger equipos sensibles de golpes de rayo y sobrecargas en líneas de datos Ethernet se ha vuelto más importante que nunca con la llegada de estándares más rápidos como 100 y Ethernet 1000Base-T.
Las velocidades de datos más rápidas han obligado a los fabricantes de equipos a usar componentes frágiles de alta velocidad. La necesidad de mantener el coste bajo ha hecho que la interfaz Ethernet esté ahora integrada en el conjunto de PCB principal, diseños con conteo mínimo de piezas y el uso de componentes de bajo costo (de menor potencia). Una descarga hubiera dejado una vieja interfaz 10Base-T sin tocar mientras que fácilmente destruiye una interfaz sensible 100/1000Base-T.
En el pasado, si una interfaz 10BaseT estaba dañada, se hubiera reemplazado fácilmente a un costo mínimo. Con equipos modernos que tienen interfaces 100/1000Base-T integradas, esto ya no es el caso. La placa madre o más probablemente la pieza entera de equipo tendrá que ser reemplazado.
El riesgo de no usar un protector de sobrevoltaje externo es más alto que nunca.
El uso de un protector contra sobretensiones en una línea Ethernet no está exento de sus consecuencias. Todos los protectores de sobretensión de Ethernet degradarán el rendimiento de la línea Ethernet. El uso de componentes protectores que inherentemente tienen un componente capacitivo así como las limitaciones de las técnicas de disposición de PCB contribuyen a la degradación. La degradación es en forma de aumentos en la pérdida de inserción de línea, distorsión de fase, diafonía, rechazo de modo común degradado y posibles bucles de tierra.
El uso de dos protectores en cada extremo de la línea proporcionará protección para cada extremo contra sobretensiones, a costa de una mayor pérdida de línea y la posibilidad de introducir un bucle de tierra en la línea.
En el mercado existen protectores contra sobretensiones de varios niveles que ofrecen niveles mucho más altos de protección contra sobretensiones
Existen algunos para equipos costosos que soportan sobrevoltaje y sobreviven a sobrecargas más de 100 veces más alto que un diseño estándar. Sin embargo, las etapas adicionales de protección contribuyen con mayores pérdidas y acortarán la longitud máxima de la línea en un diseño de una sola etapa.
En general, un protector de la marca HyperLink Cat5e o los ETH-SP de UBNT endrá menores pérdidas que un modelo Cat5. En general, un protector de la marca HyperLink Cat6 tendrá menores pérdidas que un modelo Cat5e.
Un número de nuestros diseños de Cat5e trabajará en líneas de Cat6 con la desventaja que la longitud máxima del cable será menos.
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