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									                LA TIERRA COMO PARTE DE UN SISTEMA INTEGRAL

H. Torres

Los modernos sistemas eléctricos, electrónicos y de comunicaciones están sometidos y a la
vez son responsables de las Interferencias Electromagnéticas que pueden llegar a degradar
su operación hasta llevarlos a condiciones de falla.

MASA, TIERRA Y NEUTRO: TRES CONCEPTOS DISTINTOS.

El sistema eléctrico de una aeronave en vuelo, por ejemplo, tendrá un barraje de masa
(Ground bus), conductores a masa (grounding conductors), etc. Sugerir que los términos
masa y tierra pueden ser usados indistintamente, en este caso, es obviamente un error
conceptual.

Para un electricista que trabaja, por ejemplo en el décimo piso de un moderno edificio de
concreto reforzado con acero, la masa de referencia (referenced ground) es la estructura
del edificio, que esta unida a lo metálico, y los conductores del sistema a masa (system
grounding conductors) presentes en el área de trabajo. Para este trabajador en el piso
décimo, el potencial de tierra (potential of earth) es de importancia despreciable.

Si el trabajador es transportado a la base del edificio y se ubica en una porción del piso de
concreto sobre el suelo, o en el patio de una subestación al aire libre, la tierra será,
entonces, la referencia apropiada cuando se presente un voltaje de falla.

El término Masa (Ground) es, entonces, el conductor de referencia de potencial cero con
respecto al cual se miden el resto de potenciales del circuito, y que coincide con el cero
de la alimentación. Físicamente, además, es el conductor por donde se suelen realizar los
retornos de las señales activas del circuito.

Dentro de un mismo sistema pueden existir varios circuitos completos, aislados
galvánicamente entre sí y, por lo tanto, con varias fuentes de alimentación independientes
y varios sistemas de masa. Es decir, no existe una masa única, sino que cada circuito
posee su propia masa o punto de referencia.

El otro concepto es el de Neutro (Neutral point). Un sistema de alimentación de corriente
alterna comprende cuatro conductores, tres de los cuales están conectados como un
sistema trifásico de tres conductores, el cuarto se conecta al neutro de la alimentación o
al punto central de una fase en caso del secundario de un transformador en delta, el cual
puede estar a masa (grounded).

El concepto “sistema a masa” (grounded system) significa, entonces, un sistema en el
cual al menos un conductor o punto (usualmente el neutro de un transformador o
arrollamiento de un generador) está intencionalmente “puesto a masa” (grounded), bien
sea sólidamente o a través de una impedancia.

El tercer concepto muy distinto es el de Tierra (Earth) que se refiere al potencial de la
tierra física y que influye voluntaria o involuntariamente en los edificios, líneas de
transmisión, instalaciones eléctricas, etc.




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Un sistema completo de conexiones a masa puede estar flotante con respecto a la tierra y
ser totalmente independiente de ella1 . Sin embargo, en general, los equipos están
situados cerca de elementos estructurales de edificios puestos a tierra, y la influencia de
la tierra, a través de los acoplamientos electrostáticos, es inevitable.

La tierra es, en sí misma, un muy pobre conductor, cuya resistividad es cerca de un billón
de veces la del cobre. Una varilla de cobre, de 3 metros de largo y de 5/8” (16 mm) de
diámetro, enterrada, puede representar una conexión a tierra de aproximadamente 25 .
Esta resistencia puede ser imaginada hecha de una serie de resistencias en forma de
capas de cilindros concéntricos de tierra de igual espesor. La capa del cilindro interno
representará el mayor valor incremental de resistencia, debido a que la resistencia es
inversamente proporcional al diámetro del cilindro. Entonces, la mitad de la resistencia de
25 estaría contenida dentro de un cilindro de diámetro 0,15m, como se muestra en la
figura 1.

Por esta misma razón, la mitad de la caída de tensión, por la inyección de una corriente a
través de un electrodo, aparecerá en los primeros 150 mm de la superficie de la tierra,
radialmente a la varilla. Si una corriente de 1000 Amperios circulara a tierra a través de la
varilla de cobre que hemos tomado como ejemplo, el gradiente de potencial sería de
25000 voltios (25x1000A). La mitad de este voltaje (12500 voltios) aparecería como una
caída de voltaje entre la varilla y una distancia de la tierra de 150 mm. Mientras esta
corriente este fluyendo, una persona en contacto con la superficie de la tierra y dentro de
un radio de 150 mm desde la varilla, podría experimentar un voltaje de 12500 voltios.




1
    aviones, condiciones especiales controladas, como por ejemplo en un laboratorio o salas de cirugía


                                                                                               Página 2 de 8
      120



      100



      80
  %




      60



      40



      20



       0
            0     1000      2000      3000      4000      5000      6000      7000       8000
                                                 mm

Figura 1. Variación (%) de la Resistencia con la distancia (mm) para un electrodo de
              cobre enterrado, de radio 3 mm y diámetro 5/8” (16 mm)



SISTEMA EFECTIVAMENTE “PUESTO A TIERRA”

El tipo de falla más común en un sistema eléctrico es el conocido como falla fase - tierra.

Este tipo de falla acarrea una elevación de voltaje en las fases sanas, cuyo valor depende
principalmente del grado de “puesta a tierra” del sistema en el punto en cuestión.

Esta condición se expresa a través del factor de falla a tierra () el cual se calcula a partir
de las impedancias de secuencia de fase. Pero se puede expresar como la relación entre
el valor máximo eficaz de voltaje fase – neutro a frecuencia industrial (UE) de una fase no
afectada durante una falla y el valor del voltaje fase – neutro a frecuencia industrial en el
                                    U 
mismo punto con la falla removida  M 
                                   3

                                                 UE
                                          
                                               U M 
                                                3
                                                   



                                                                                 Página 3 de 8
Para sistemas con neutro aislado, por ejemplo una carga alimentada por un transformador
en delta, las sobretensiones en las fases sanas pueden exceder el voltaje fase – fase, o
sea pueden alcanzar valores superiores a 1,73 p.u.

Esto se debe al hecho que en la realidad este tipo de sistemas está acoplado a tierra a
través de sus capacidades parásitas distribuidas.

En el caso de un sistema efectivamente “puesto a tierra”, la impedancia es lo
suficientemente baja, tal que la relación de reactancia de secuencia cero a la reactancia
                                                                 X0
de secuencia positiva    es positiva y menor o igual a tres,         3 , y la relación de
                                                                 X1
resistencia de secuencia cero a reactancia de secuencia positiva es menor o igual a uno:
R0
    1 . Para este caso las sobretensiones en las fases sanas no alcanzan el valor de
X1
1,4 p.u, lo que significa que pueden alcanzar un máximo de 80% del voltaje fase – fase.

Métodos para poner a tierra el neutro

El concepto Masa (Ground) lo llevamos a la NTC 4552 como Barraje Equipotencial (BE) o
punto de puesta a Tierra y se definió como el punto de referencia al cual se conectan
físicamente las partes de un circuito, tal que garantizan el mismo potencial.

Un sistema a masa (grounded systems), puede o no conectarse a tierra o “aterrizarse”
(Earthing). Los “sistemas aterrizados”, emplean algunos de los dos siguientes métodos:

      Sólidamente aterrizados
      A través de una impedancia, que puede ser:
       - Reactancia
       - Resistencia
       - Neutralizador de falla

En cada caso la impedancia del generador o transformador, cuyo neutro se conecta a
tierra, está en serie con el circuito externo.

Los sistemas eléctricos que son operados sin conexión intencional a tierra son puestos a
tierra a través de la capacidad que siempre existe entre el sistema y tierra. En la mayoría
de los sistemas, esta es una impedancia extremadamente alta y las relaciones que
resultan entre el sistema y tierra son débiles y fácilmente distorsionadas.

A los sistemas “no aterrizados” se le atribuyen dos principales ventajas. La primera es de
operación: Una falla a tierra causa el flujo de una pequeña corriente de tal manera que el
sistema puede continuar operando en falla, mejorando su continuidad. La segunda es
económica: no se requieren costosos equipos para conectar el sistema a tierra.

Al contrario, son numerosas las ventajas que se le atribuyen a los sistemas aterrizados,
incluyendo mayor seguridad, no presencia de excesivos sobrevoltajes que pueden ocurrir
en sistemas no aterrizados por efectos resonantes y fácil detección y localización de fallas
a tierra cuando ellas ocurren.




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Los efectos resonantes pueden ocurrir cuando el camino de falla a tierra incluye una
reactancia inductiva aproximadamente igual a la reactancia capacitiva que existe entre el
sistema y tierra.

Sistemas sólidamente aterrizados. Se refiere a la conexión del neutro de un generador, un
transformador de potencia, directamente a la tierra.

Debido a que la reactancia del generador o transformador aterrizados está en serie con el
neutro del circuito, una conexión sólida a tierra no provee una impedancia de secuencia
cero del circuito neutro. Si la reactancia de secuencia cero del sistema es muy grande con
respecto a la reactancia de secuencia positiva del sistema, los objetivos de lograr
menores sobrevoltajes que en los sistemas no aterrizados, no pueden ser logrados. Este
es un problema que se presenta en los grandes sistemas de potencia, pero muy rara vez
en sistemas eléctricos industriales o comerciales.

Sistemas aterrizados a través de resistencia. En este caso el neutro está conectado a
tierra a través de una o más resistencias. En este método, con los valores de resistencia
normalmente usados, y excepto para sobrevoltajes transitorios, los voltajes línea - tierra
que aparecen durante una falla línea tierra son cercanos a los mismos que aparecen en
un sistema no aterrizados.

Las razones para limitar la corriente por medio de resistencias a tierra pueden ser una o
varias de las siguientes:

   1) Reducir los efectos abrasivos y de fundición en equipos eléctricamente en falla,
      como interruptores, transformadores, cables y máquinas rotativas.

   2) Reducir los esfuerzos mecánicos en circuitos y aparatos que transportan
      corrientes de falla.

   3) Reducir los peligrosos choques eléctricos a personas, causados por corrientes de
      falla a tierra en el camino de retorno.

   4) Reducir la explosión del arco o la alta intensidad de luz a que se expone la
      persona que pudo causar la falla o personas que se encuentren cerca de la falla.

   5) Reducir el voltaje de línea momentáneo que aparece por la ocurrencia y despeje
      de la falla a tierra.

   6) Asegurar el control de los sobrevoltajes transitorios mientras al mismo tiempo se
      evita la salida del circuito fallado sobre la ocurrencia de la primera falla a tierra
      (alta resistencia).

Las resistencias de estos sistemas pueden ser de alto o bajo valor ohmico, de acuerdo
con las corrientes de falla a tierra permitidas. En la práctica las altas resistencias se usan
para corrientes de 10 amperios o menos, aunque algunos sistemas especiales de clase
15 kv., pueden tener niveles de corriente más altos. Las bajas resistencias típicamente se
usan para niveles de corrientes de falla de al menos 100 amperios, pero un rango más
usual está entre 200 y 1000 amperios.




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Ambos sistemas de resistencias están diseñados para limitar sobretensiones transitorias a
un nivel seguro (dentro del 250% del normal).

Sistemas aterrizados a través de reactancia. Este es el caso en que una reactancia es
conectada entre el sistema neutro y tierra. En estos sistemas la corriente de falla
disponible debe ser al menos 25% y preferiblemente el 60% de la corriente de falla
trifásica para prevenir serios sobrevoltajes transitorios (X0  10X1). Esto es
considerablemente mayor que el nivel de corriente de falla deseable en un sistema a tierra
a través de resistencia, por tanto no se considera una alternativa de este último. En la
práctica, los sistemas aterrizados a través de reactancia se usan, generalmente, en
transformadores de potencia en subestaciones.

Sistemas aterrizados a través de neutralizador. Es una reactancia con relativo alto valor
de reactancia. La reactancia es sintonizada a la corriente de carga del sistema tal que la
corriente de falla a tierra resultante sea resistiva y de baja magnitud. Esta corriente está
en fase con el voltaje línea – neutro tal que la corriente por cero y el voltaje por cero
ocurran simultáneamente. Si la falla a tierra se da a través del aire, como por ejemplo el
flameo en un aislador, esta se puede autoextinguir. Este método se usa preferencialmente
en sistemas por encima de 15 kv.. Estos sistemas tienen poca aplicación en sistemas
eléctricos comerciales o industriales.

PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES

Un transformador de potencia o de distribución se protege contra sobretensiones de
origen externo o interno mediante descargadores de sobretensión (DS). Los DS se
conectan en paralelo al equipo a proteger y a tierra a través de un conductor.

La función del conductor a tierra es proveer un camino de conducción para que la
corriente se desvíe del aparato a proteger, sin que aparezcan magnitudes de voltaje
peligrosas. En condiciones normales de operación el DS debe comportarse como un
circuito abierto (alta resistencia), mientras que en condiciones de falla o altos voltajes
debe operar como un corto circuito (baja resistencia). Estas características se encuentran
en los materiales semiconductores, como los óxidos metálicos.

Ante la presencia de una variación de corriente (di/dt) aparecerá una caída de voltaje
inductivo a lo largo del conductor a tierra, la cual se sumara al voltaje del DS. La caída
de voltaje será proporcional a la longitud del conductor y la distancia del equipo a proteger
y de acuerdo con la magnitud de di/dt.

Los valores de di/dt varían dentro de un amplio rango y dependen de factores como la
latitud, pero un valor representativo puede ser 10 kA/s. Con esta rata de variación y
tomando una inductancia significativa de 1 H, la caída de tensión E en el conductor a
tierra será:

                                                  di
                                         E  L.
                                                  dt


                                     E=10-6.10000.10-6
                                     E=10000 Voltios


                                                                               Página 6 de 8
Esto sería equivalente a tomar un metro de conductor calibre AWG 4/0, separado
aproximadamente 1,5 metros del transformador a proteger. Por tanto, la longitud del
conductor a tierra y la distancia al equipo a proteger son de primordial importancia. Se
puede visualizar que el voltaje inductivo adicional se genera por el flujo disperso total que
puede ser desarrollado a través de la ventana entre el conductor a tierra y el equipo a
proteger.

Para aprovechar al máximo las propiedades del DS y disminuir los valores de inductancia,
este deberá estar montado lo más cerca del pasatapas del transformador.

Localizar un DS a una gran distancia del transformador, como por ejemplo en la cruceta
de un poste, con un conductor a tierra independiente, puede incrementar seriamente los
esfuerzos de voltaje sobre el transformador.

SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

Existen tres clases de sistemas de puesta a tierra:

De servicio: sirve como referencia para equipos de maniobra, equipo de transmisión, equipo
de medición, fuentes D.C. y tierras para cables.

De protección: se instala para prevenir accidentes de personal en caso de contactos
directos o indirectos con carcasas metálicas o por descargas eléctricas atmosféricas.

Temporales: para mantenimiento.

Para minimizar los efectos que puedan causar diferencias de potencial ocasionadas por una
descarga, las instalaciones metálicas deben estar a un mismo potencial mediante conexión
a un Barraje Equipotencial – BE (Ground), el cual debe ser conectado al Sistema de Puesta
a Tierra

En la construcción del sistema de puesta a tierra todos los electrodos deben ser varillas de
cobre de por lo menos 16 mm de diámetro y 2,40 m de longitud, o de acero con
recubrimiento de cobre de por lo menos 250 m y 2,40 m de longitud. No se deben utilizar
varillas de menor longitud. Cuando se requieran electrodos de más de 4 m se deben
acoplar dos de las anteriores.

Los conductores utilizados en el sistema de puesta a tierra deben ser cables de cobre
electrolítico recocido, desnudos, flexibles, de 96,66 % de conductividad; cuando van bajo
tierra deben estar enterrados mínimo 50 cm bajo el nivel del terreno y 90 cm mínimo bajo
las vías. Los conductores del sistema de puesta a tierra deben estar flojos, para prevenir
daños o esfuerzos. El tope del electrodo de puesta a tierra debe estar 30 cm por debajo del
nivel del piso.

Los conductores del sistema de puesta a tierra que unen puntos de conexión deben ser lo
más cortos y rectos posibles. Todas las uniones entre conductores, a tubos, a platinas o a
electrodos, deben ser realizadas con soldadura exotérmica o con conectores que cumplan
la norma IEEE-837. Todas las superficies por ser aterrizadas deben ser limpiadas
cuidadosamente con el metal desnudo antes de conectar a tierra.




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Interconexión de sistemas de puesta a tierra

Unir o separar las tierras involucra un estudio detallado de factores como la evaluación del
riesgo de vidas humanas, de daño de equipos, los valores de corriente de falla, la
resistencia de puesta a tierra de cada uno de los sistemas que se van a unir, la resistencia
mutua entre sistemas de puesta a tierra.

En principio, todas las puestas a tierra (Grounding) deben interconectarse durante una
descarga eléctrica atmosférica bien sea sólidamente o por medio de un gap a una
instalación de puesta a tierra general, a la que se unan las tierras de todos los sistemas.

Sin embargo, las tierras independientes son utilizadas para asegurar que la referencia de
los circuitos electrónicos esté libre de los ruidos o perturbaciones existentes en los sistemas
de potencia. En casos especiales donde se requieran tierras independientes, el diseñador
debe especificarlos sistemas de acople entre ellas, de manera que garanticen la seguridad
de los equipos, las instalaciones y las personas.




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