Ejemplo de un sistema de tierra y
masas.
Definiciones
■ Tierra (profunda):
Masa conductora del planeta que es la referencia de modo
común de las instalaciones eléctricas,
■ Toma de tierra:
Conductor en contacto directo con la tierra,
■ Resistencia de la toma de tierra:
Resistencia entre el (o los) conductor(es) que constituyen
la toma de tierra y la tierra profunda,
■ Red de tierra:
Conjunto de conductores de protección (CP) ligado a la
toma de tierra, cuyo objeto es evitar la aparición de una tensión peligrosa
entre las masas eléctricas y la tierra en caso de defecto de aislamiento
(contacto indirecto),
■ Masa eléctrica:
Parte conductora de un material eléctrico que puede quedar
con tensión cuando se produce un defecto de aislamiento,
■ Masa funcional:
Parte conductora de un material electrónico que tiene una misión
de pantalla y frecuentemente de referencia de potencial (0 voltios).
Un material de clase II no tiene masa eléctrica, pero
puede tener una masa funcional,
■ masa de acompañamiento:
Estructura de masa o conductor, tal como una plancha
mallada, un electrocanal metálico o un blindaje, que acompañan de principio a
fin a un cable de señal al que protegen para conseguir reducir los acoplamientos
electromagnéticos (HF) o comunes,
■ Redes de masas funcionales:
Conjunto de conductores de masa de acompañamiento y de
estructuras conductoras de los edificios que tienen la misión de
equipotencialidad y de pantalla frente a las perturbaciones.
Conviene destacar que un sistema de tierra tiene la misión
de protección de personas (50 Hz) y que el sistema de masas tiene una misión
funcional en la transmisión de información y la lucha contra las perturbaciones
electromagnéticas.
Toma
de tierra
El
primer objetivo de la puesta a tierra es la protección de personas
¡Evidentemente nosotros vivimos en la Tierra!
Es esencial que las partes metálicas accesibles de los
equipos eléctricos estén conectadas a tierra para evitar una electrocución por
contacto indirecto en caso de fallo de aislamiento. Esta disposición está normalizada
desde 1923 (CEI 60364).
Según el esquema de conexión a tierra (ECT o regímenes de
neutro), la corriente de defecto puede ser más o menos importante y se toman
diversas precauciones para que la tensión de contacto no alcance la tensión
convencional de seguridad durante un tiempo determinado UL (50 V en c.a.)
Ver
posts:
Riesgo
eléctrico
http://imseingenieria.blogspot.com/2018/08/riesgo-electrico-y-parte-2.html
Regímenes
de neutro y esquemas de conexión a tierra utilizados en baja tensión
https://imseingenieria.blogspot.com/2019/08/regimenes-de-neutro-y-esquemas-de.html
Las partes metálicas accesibles de los materiales
eléctricos están conectadas al conductor de protección (CP) y éste a la toma de
tierra; el conjunto constituye la instalación de la puesta a tierra.
El
segundo objetivo de la puesta a tierra es el minimizar las perturbaciones en
modo común con origen externo a la instalación BT
Se trata por ejemplo de la sobretensión a 50 Hz en caso de
perforación o cebado en los transformadores MT/BT (figura 1) o las sobretensiones
de rayo (figura 2). En este sentido las normas obligan a conseguir unos valores
límite en las tomas de tierra.
Fig. 1: Perforación o cebado MT/BT;
la red toma un potencial respecto a tierra U = RN · Ih y
por esto aparece riesgo para el material en el esquema TT, o para las personas
en esquema TN si el edificio no tiene una red equipotencial.
El rayo, los defectos MT/BT y la seguridad de las personas
obligan a conseguir una toma de tierra poco impedante (¡la IhMT
puede alcanzar 1000 A y la tensión de aislamiento de los materiales sensibles
es de 1500 V!). Este problema se ha de tener especialmente en cuenta en el
régimen TT.
Fig. 2: Sobretensión de rayo; la red sufre
una sobretensión de tipo impulso en todos los conductores activos; de ahí que sea
importante el riesgo «CEM»: necesidad de utilizar pararrayos o limitador de sobretensiones
sea el que sea el ECT.
Para una piqueta,
Para un bucle en el fondo de una zanja,
siendo L la longitud de la piqueta o el perímetro del bucle.
Para limitar la oxidación, la toma de tierra debe hacerse con un conductor macizo
de cobre o de acero inoxidable. La resistividad del suelo (ρ) es un parámetro importante;
varía con la humedad del suelo y con la naturaleza del terreno en un margen muy
amplio que puede variar desde 1 a 5000 Ωm. Es importante colocar tierra «buena»
en el fondo de la zanja alrededor del conductor del bucle (figura 3).
Fig. 3: Toma de tierra; realización
de un bucle en el fondo de una zanja.
La impedancia de la toma de tierra varía poco entre 50 Hz
y 500 kHz.
Si un edificio tiene pararrayos de punta Franklin, las
bajadas de este pararrayos han de estar conectadas a tomas de tierra en forma
de pata de ganso. Todos los conductores que tienen el riesgo de tener que
transportar las corrientes de rayo deberían de ser conductores planos (máximo
perímetro) lo que reduce el coeficiente de autoinducción y el efecto pelicular
y por tanto, reduce muchísimo la caída de tensión lineal. En la figura 4, se
estudia la impedancia de estos conductores.
Evidentemente, habrá que evitar las tomas de tierra
múltiples o al menos tendrán que estar interconectadas.
La toma de tierra se puede hacer con una o varias piquetas
enterradas en el suelo, o con un bucle en el fondo de una zanja, o con las dos
soluciones asociadas.
Tabla: Autoinducción e impedancia de un conductor de cobre
de 10 m de longitud y 100 mm2 de sección en función de sus dimensiones.
(*) En esta tabla la autoinducción del conductor cilíndrico
se da a 50 Hz.
En AF el término 100 µr.δ debe despreciarse, y L ≈ 14,35
µH debe considerarse, como en el caso del conductor de sección rectangular, independiente
de la frecuencia. Por último, nótese que en AF la impedancia Z = 2π.f.L pasa a
ser preponderante respecto a RAF.
Fig. 4: Impedancia de los conductores
en función de sus dimensiones y de la frecuencia
■ La resistencia en corriente continua de un conductor es RC
= ρ l /S, o sea, RC = 1,7 mΩ para un conductor cilíndrico de cobre de
100 mm2 de sección y 10 m de longitud. Cuando la frecuencia aumenta,
el efecto pelicular hace crecer esta resistencia. En efecto, las corrientes AF
se concentran en la periferia del conductor a una profundidad δ = (π f µ σ)–1/2
que disminuye con la frecuencia. δ se llama profundidad de la película o
pelicular.
Para el cobre:
δ(50 Hz) = 9,3 mm,
δ(1 MHz) = 65,8 µm,
δ(10 MHz) = 21 µm.
Por tanto, la sección efectiva del conductor disminuye. La
razón entre RAF y RC se obtiene, en el caso de un
conductor cilíndrico de radio r, mediante la fórmula:
Esta fórmula no es válida si el radio r del conductor es
superior al grosor, δ, de la película.
Nuestro conductor de cobre es:
- a 50 Hz: RAF = RC = 1,7 mΩ
- a 1 MHz: RAF = 43,1 RC = 73 mΩ
- a 10 MHz: RAF = 135 RC = 230 mΩ
■ La autoinducción L (µH) de un conductor de longitud l es:
- para un conductor cilíndrico:
- para un conductor de sección rectangular:
estando l, d(diámetro), δ, w(longitud), e(grosor) expresado
en metros.
Las masas
Tipos
de masas
En los edificios existen diferentes tipos de masas
metálicas. Citemos:
- las carcasas metálicas de los receptores eléctricos y equipos electrónicos,
- las estructuras metálicas de los edificios,
- las canalizaciones y equipos de agua y gas,
- las masas funcionales de los equipos electrónicos que participan en la transmisión de señal (0 voltios),
- las masas de tipo pantalla o caja de Faraday que tienen por objeto bloquear los campos electromagnéticos.
Como la toma de tierra, los circuitos
de masa tienen varias finalidades.
Primera
finalidad: la protección de personas
Pueden aparecer potenciales
peligrosos entre las carcasas metálicas, las canalizaciones de gas, las de agua
y las estructuras metálicas de los edificios. Por tanto, para la protección de
las personas, todas las masas simultáneamente accesibles deben de estar
interconectadas. El edificio debe por tanto ser equipotencial. Esta es la razón
por la que las normas de instalación indican que todas las masas antes citadas
deben de estar interconectadas a la línea equipotencial principal, sea el que
sea el esquema de conexión a tierra (figura 5).
Fig. 5: Conexión de todas las masas a
la red equipotencial principal
La puesta a tierra de las masas de
los receptores forma una red equipotencial de protección en estrella, con
distribución arborescente de los conductores de protección (CP) puesto que
están en el mismo conjunto de cables que los conductores activos.
Segunda
finalidad: la seguridad de funcionamiento de los sistemas electrónicos
Son más sensibles que los seres
humanos a las diferencias de potencial y a las radiaciones electromagnéticas.
Necesitan dispositivos de bloqueo de las perturbaciones conducidas, planos de
masa, pantallas y cajas de Faraday para bloquear los campos electromagnéticos; necesitan,
también, «circuitos» de masa equipotencial, especialmente cuando se trata de aparatos
intercomunicados a través de buses o redes de transmisión de datos. En este
caso la equipotencialidad de las masas debe ser la mejor posible dentro del
edificio porque estos aparatos intercomunicados, tanto si están dedicados al control
y mando como a la informática, pueden estar geográficamente separados dentro de
una planta o incluso en plantas diferentes.
La
solución
La solución es una red de masa
mallada; y esto por varias razones:
■ La lucha contra los campos electromagnéticos del
rayo
El rayo puede caer directamente en
el edificio.
En este caso, si
se utiliza un solo conductor para la bajada del pararrayos (de varilla), la corriente
de rayo va a provocar:
- la aparición de un campo magnético muy importante en el edificio,
- un campo
eléctrico pulsante debido a la elevada tensión desarrollada en el conductor de bajada
La solución es el mallado vertical:
un conductor de bajada cada 10 metros, por ejemplo.
La ventaja es
la distribución de las corrientes y por tanto de los campos magnéticos y la autoatenuación
de éstos en el interior del edificio puesto que se oponen entre sí.
El rayo también
puede caer en las proximidades del edificio. En este caso para proteger las instalaciones
interiores de los edificios hay que formar una caja de Faraday y por tanto unir
el mallado vertical con un mallado horizontal (figura 6).
Fig. 6:
Mallado horizontal y vertical de un edificio.
Constituye
una caja de Faraday.
Si se considera
que el espectro de frecuencias del rayo (figura 7) es, especialmente desde el punto
de vista energético inferior a 1 MHz, y que la caja de Faraday es eficaz para
un paso de
λ/30, la malla
debe tener un lado de:
■ A nivel local el plano de masa reduce los campos
electromagnéticos
Si un equipo
sensible o una red o bus de comunicaciones está colocada sobre una superficie
conductora, está menos expuesta a los campos electromagnéticos porque
desarrolla un campo magnético que se opone al campo perturbador.
Por este motivo
las salas de informática están situadas sobre una plancha mallada y los cables de
baja intensidad (de señal) se instalan en bandejas metálicas para cables.
■ La minimización de
las impedancias de los circuitos de masa entre dos puntos cualesquiera
La impedancia
de un conductor de cobre aumenta con la frecuencia de la corriente que transporta
(inductancia y efecto pelicular). Así a 1 MHz, Z es del orden de 10 Ω por
metro. Si la corriente perturbadora puede tomar diversos caminos, la
equipotencialidad se mejora mucho.
El arco de
retorno es comparable a una antena vertical, de varios kilómetros de alto,
recorrido por una corriente de pico de varias decenas de kiloamperios. Esta
antena radia un campo eléctrico y un campo magnético que decrecen en 1/D más
allá de una distancia:
en la que d =
50 m a 1 MHz.
El arco de
retorno es una corriente impulsional cuyo contenido en frecuencias es muy rico
(amplio espectro de frecuencias) y muy diferente de un rayo a otro. La figura 7a
representa la gráfica del espectro medio característico de los relámpagos
obtenido a partir de numerosas medidas de campo en varios puntos del mundo.
Los editores de
las normas CEI han escogido para las tensiones inducidas sobre las redes
eléctricas una onda, llamada 1,2/50 µs, cuyo espectro de frecuencia es el
indicado en la figura 7b. Se asemeja mucho a la curva de Pierce.
Fig.
7: Espectro en frecuencia del fenómeno electromagnético «rayo»
Malla entre los circuitos de masas eléctricas y
otras masas
Acabamos de ver
que los circuitos de puesta a tierra dedicados a la protección de personas están
conectados en estrella (arborescente para los conductores de protección) y que
para la seguridad de funcionamiento de los sistemas electrónicos era necesario
tener un único circuito de masa mallado. Teóricamente estos circuitos pueden
estar separados en el edificio incluso si están conectados a la misma toma de
tierra.
Aunque las
normas definen varios tipos de símbolos para las referencias de potencial (figura
8), en la práctica, pocos aparatos, sistemas eléctricos o electrónicos hacen
esta distinción. Por ejemplo, la noción de tierra sin ruido es muy discutida y
en vías de desaparición visto el desarrollo de los sistemas de redes y la gran
cantidad de interconexiones existentes.
En alta
frecuencia, las capacidades parásitas hacen estas distinciones todavía más ilusorias.
Fig. 8:
Ejemplos de símbolos de tierras y masas.
Por tanto, hay
que conectar en los nuevos edificios la red equipotencial de protección (masas
eléctricas) y la red equipotencial funcional (otras masas) realizando así una
única red de conexión equipotencial. Esta red debe de asegurar la continuidad
de las líneas de protección (CP) para asegurar la protección de las personas. No
hay motivo para oponer la red en estrella de las grandes intensidades (potencia)
y la red mallada necesaria para los sistemas de baja intensidad (señal). En la práctica,
en los edificios ya existentes conviene interconectar las masas entre
materiales sensibles (si hay sistemas de comunicación: redes), mejorar la
continuidad eléctrica de las bandejas de cables y crear, si es necesario, un plano
de masa o planos de masa mallados.
FUENTES:
Schneider
Electric: Perturbaciones en los sistemas electrónicos y esquemas de conexión a
tierra (Roland Calvas)
Schneider
Electric: Coexistencia de corrientes de alta y baja intensidad (Roland CALVAS, Jacques
DELABALLE)
POST RELACIONADO:
Principios de
realización del sistema de puesta a tierra en grandes edificios
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