Un sistema de tierra correctamente diseñado es parte integral de un sitio y debe considerarse tan importante como todos los demás componentes críticos del equipo.
Todos nos hemos vuelto dependientes de los aparatos electrónicos para nuestra vida diaria. Estos mismos dispositivos sensibles son muy vulnerables a los peligros que crea una mala conexión a tierra. Como cualquier experto en calidad eléctrica podrá decir, la mala conexión a tierra es la segunda causa principal de mal funcionamiento de los equipos, después del cableado inadecuado. Las normas de rendimiento de los equipos exigen la instalación y el mantenimiento de una conexión a tierra fiable y de baja resistencia. Estas normas a menudo no se pueden cumplir y, sin duda, no se pueden garantizar a largo plazo con los métodos de conexión a tierra tradicionales, que exigen unos requisitos mínimos.
Gran parte de estos equipos funcionan con 5 V o menos y suelen estar sujetos a transitorios de estado estable más elevados. Un sistema de baja resistencia diseñado correctamente puede garantizar el funcionamiento de equipos críticos que a menudo generan sus propios peligros, como armónicos y transitorios. Otro beneficio adicional es la mejora de la seguridad del personal.
Puesta a tierra
La definición de un electrodo de tierra es “un conductor o grupo de conductores en contacto íntimo con la tierra con el fin de proporcionar una conexión con el suelo”. Esta definición no se refiere a un valor real de resistencia en ohmios del electrodo. El valor de resistencia se determina por la resistividad del suelo con el que están en contacto estos electrodos. Al igual que en el caso del agua subterránea, la corriente debe pasar a través del suelo hasta el potencial de tierra supuesto de 0 Ω.
Cuando un objeto se conecta a tierra, se ve obligado a asumir el mismo potencial cero que la tierra. Si el potencial del objeto conectado a tierra es mayor o menor, la corriente pasará a través de la conexión a tierra hasta que el potencial del objeto y la tierra sean iguales. El electrodo de tierra es esa ruta de conexión desde el equipo hasta la tierra. (Figura 1).
La resistencia del electrodo, medida en ohmios, determina la rapidez y la energía potencial con que se iguala. Por lo tanto, la conexión a tierra es necesaria para mantener el potencial de un objeto igual al de la tierra.
Resistividad del suelo
El suelo es el conductor dinámico de corrientes de falla en estado estable, naturales y provocadas por el hombre. La mayoría de los suelos contienen naturalmente cantidades variables de electrolitos que conducen electricidad. Como resultado, la adición de humedad mejorará o reducirá las propiedades conductoras. Sin embargo, en general, cuanto mayor sea el contenido de humedad en el suelo, menor será la resistividad. La temperatura, al igual que la humedad, puede tener un impacto significativo en la resistividad.
La resistividad del suelo varía con la temperatura, especialmente cuando alcanza los 32 °F. (la humedad del suelo se congela y la resistividad aumenta casi tres veces su valor no congelado). Esto puede tener un efecto perjudicial en los materiales de relleno a base de arcilla o cemento que dependen del agua como conductor principal. Un material de relleno a base de carbono tendrá la ventaja de ser un conductor de baja resistencia para todo tipo de climas y durante todo el año.
Mediciones de resistividad del suelo
Para determinar la conductividad del suelo se utiliza un medidor de tierra de cuatro puntos. (Figura 2).
Esta prueba requiere que el usuario coloque cuatro sondas auxiliares espaciadas de manera uniforme en la tierra para determinar la resistencia real del suelo, tradicionalmente en ohmios cm. Esta prueba debe realizarse alrededor de toda el área para determinar el valor del suelo en todas las ubicaciones.
Esta prueba se realiza a diferentes distancias, de 5 a 40 pies, para determinar el valor de resistencia a distintas profundidades. Este conocimiento ayudará en el diseño e implementación del sistema de tierra correcto para cumplir con los requisitos particulares del sitio. Los valores del suelo pueden variar desde 500 Ω cm con grandes cantidades de electrolitos hasta más de 1 millón de Ω cm en suelo arenoso y seco.
Pruebas posteriores a la instalación
Una vez que se ha diseñado e instalado un sistema de puesta a tierra, comienza el proceso de verificación. Para ello, se requiere el uso de un método de resistencia de puesta a tierra de tres puntos y caída de potencial. (Figura 3).
Esta prueba implica el uso de dos sondas auxiliares colocadas en el suelo en línea recta. La longitud de los conductores desde el instrumento hasta estas sondas se determina según el tamaño de la instalación que se está probando. Esta es tradicionalmente cinco veces la distancia diagonal del sistema de puesta a tierra. La prueba también debe realizarse antes de conectar el sistema a cualquier otra fuente de puesta a tierra. El motivo de esto es verificar que su sistema tenga el valor de resistencia de puesta a tierra diseñado sin influencia de fuentes externas.
Si la prueba se realiza después de conectar la energía, se puede utilizar el comprobador de resistencia de tierra con pinza. (Figura 4).
Esto implica sujetar el neutro de alimentación entre el transformador de la red eléctrica y la conexión a tierra del sitio. El usuario debe tener en cuenta que una lectura de 0.7 Ω indica un bucle de continuidad y no una resistencia a tierra.
Diseño de sistemas de puesta a tierra de baja resistencia
El proceso de diseño de un sistema de puesta a tierra comienza con un estudio del sitio y de la energía del área de instalación. (Figura 5).
El estudio de la energía incluye métodos de conexión a tierra y de unión de los sistemas de CA, telecomunicaciones, TVSS, UPS y muchos otros que operan en la instalación. Un estudio del sitio también debe incluir un análisis de resistividad del suelo a varias profundidades, planos del sitio relevantes, análisis topográfico y una muestra de núcleo de perforación, si está disponible. El estudio del sitio mostrará si alguna barrera física, como rocas, suelo de alta resistividad o líneas eléctricas, afectará la resistencia de la conexión a tierra en el área de instalación. Una vez que se obtiene esta información, se puede iniciar un diseño eficaz.
Beneficios de un sistema bien diseñado
Un sistema de puesta a tierra de baja resistencia diseñado adecuadamente desempeñará un papel importante en la obtención y el mantenimiento de una instalación bien protegida y eficiente. Esto se puede lograr con métodos tradicionales y/o un sistema mejorado con electrodos electrolíticos con relleno de carbono. El sistema de puesta a tierra es una parte integral del sitio y debe considerarse tan importante como todos los demás componentes críticos del equipo.