El quid de la seguridad: los sistemas de puesta a tierra

Por José Ordoñez / Imágenes: cortesía de DEHN Protection México

Uno de los retos del mundo moderno es brindar las facilidades tecnológicas que permitan la automatización de procesos. En sólo 50 años, las computadoras han pasado de ser cuartos enteros de máquinas a ocupar sólo un lugar en un escritorio o, más aún, a ser parte de un portafolio ejecutivo.

Es ya inevitable no considerar computadoras tanto en las oficinas, en los negocios y en el hogar. Cada día resulta más impresionante ver las facilidades que ofrecen y el minúsculo trabajo que hay que realizar para obtener grandes beneficios implicando una mayor eficiencia en los procesos, que van desde el control de acceso, la seguridad en la detección de incendio, la protección contra descargas atmosféricas y todos los recursos que cada día facilitan la vida del ser humano.

Basta con mirar el entorno para ver cómo la tecnología forma parte íntegra de la vida cotidiana, desde simples aparatos en el hogar, como una lavadora que identifica qué tipo de ropa se le introdujo y selecciona la temperatura del agua y el tiempo de lavado que tiene que realizar; un horno de microondas, en el que sólo es suficiente presionar un botón para que caliente un alimento en menos del tiempo que lo haríamos en un estufa; el uso de la telefonía celular o la televisión vía satélite han revolucionado cultural y científicamente al universo, permitiendo unir continentes con un solo click.

Dentro de todo un mundo en el cual México va a la cabeza en la construcción de edificaciones inteligentes, lanzamientos de satélites y líder en los sistemas de comunicación celular, brindando cada día mayor disponibilidad de los servicios hasta en zonas inaccesibles, detengámonos en pensar qué pasaría si todos los servicios fallan:

• Sistema de energía y comunicaciones en instalaciones hospitalarias
• Sistema de seguridad nacional (satélites)
• Sistemas de energía y comunicaciones en instalaciones bancarias
• Torres de comunicaciones que garantizan la telefonía y los servicios de radio y televisión
• Sistemas de energía y comunicaciones en edificios altos y de elevada integración (edificios inteligentes)
• Industria petroquímica y farmacéutica

El objetivo de este trabajo es demostrar la importancia que tienen para cualquier proceso los sistemas de puesta a tierra, ya que tienen gran efecto sobre la seguridad de las personas y la operación de los equipos. Una instalación errónea o dañada de este sistema puede provocar lamentables pérdidas de vidas humanas, animales y equipos.

Objetivo de la puesta a tierra de un sistema eléctrico

1. Estabilizar el voltaje a tierra
2. Proveer un camino de baja impedancia para que circule la corriente de falla a tierra, lo cual permitirá que los dispositivos de protección contra sobrecorriente operen para liberar la falla

Los dos aspectos antes mencionados deben ampliarse para un mejor entendimiento. El sistema de tierra, sus componentes y conductores de interconexión serán capaces de distribuir y descargar las corrientes de falla, sin exceder los límites térmicos y mecánicos de diseño, basados en los tiempos de operación de la protección de respaldo. El sistema de tierra mantendrá su integridad durante todo el ciclo de vida de la instalación, por lo que se prestará debida atención a la corrosión y a los daños mecánicos de dicho sistema.

El desempeño del sistema de tierra y equipotencialización evitará daños al equipamiento durante eventos de elevación de potencial, diferencias de potencial en el sistema de tierra y debido a las corrientes circulantes por caminos alternativos no destinados al paso de la corriente de falla. El sistema de tierra, en combinación con otras medidas apropiadas, mantendrá los potenciales de contacto y paso dentro de los límites basados en los tiempos de operación normal de los relés e interruptores de protección.

Normatividad

Este documento tiene como alcance sustentar mediante referencias normativas la obligatoriedad en la instalación de la red equipotencial y de conexión a tierra para cualquier propósito dentro de una instalación que encaje en el alcance de las normas nacionales NOM-001-SEDE-2012, NMX-J-549-ANCE-2005, NOM-022-STPS-2008, y las normas internacionales que las complementen, como la IEC 62305-3, NFPA-780, entre otras.

La Figura 1 muestra como el SPT es el elemento base y común entre el SEPTE y el SIPTE, reforzando el concepto de unión equipotencial. Adicionalmente, define la necesidad de un SPT común para el SEPTE y para el SIPTE. En otras palabras, para que una instalación esté debidamente protegida debe contar con un SPT que permita drenar la energía del rayo y a su vez permita drenar las fallas y sobretensiones existentes en la red eléctrica a través de un camino de baja impedancia.

Condiciones generales que deben cumplirse en todas las instalaciones
Cuando se habla de puesta a tierra en instalaciones eléctricas, es importante considerar los siguientes aspectos que definen de forma genérica todo lo que es obligatorio. Aun así, es bastante común ver instalaciones eléctricas recién inauguradas donde se violan algunos de los siguientes aspectos que vienen manifestados en la sección 250-4, Requisitos generales para puesta a tierra y unión de la NOM-001-SEDE-2012.

1. Puesta a tierra de los sistemas eléctricos. Los sistemas eléctricos que son puestos a tierra se deben conectar a tierra de manera que limiten la tensión impuesta por descargas atmosféricas, sobretensiones en la línea o contacto no intencional con líneas de tensión mayor y que estabilicen la tensión a tierra durante la operación normal
2. Puesta a tierra del equipo eléctrico. Los materiales conductores que normalmente no transportan corriente, que alojan a los conductores o equipo eléctrico, o que forman parte de dicho equipo, deben estar conectados a tierra con el fin de limitar la tensión a tierra en estos materiales
3. Unión en el equipo eléctrico. Los materiales conductores que normalmente no transportan corriente, que alojan a los conductores o equipo eléctrico, o que forman parte de dicho equipo, se deben conectar entre sí y a la fuente de alimentación eléctrica, de manera que establezcan una trayectoria efectiva para la corriente de falla a tierra
4. Unión de materiales eléctricamente conductivos y otros equipos. Los materiales eléctricamente conductivos que normalmente no transportan corriente, que tienen probabilidad de energizarse, se deben conectar entre sí y a la fuente de alimentación eléctrica de manera que establezcan una trayectoria efectiva para la corriente de falla a tierra

¿Por qué se hace necesario contar con una unión equipotencial (UE)?

¿Ha visto aves posadas sobre un conductor de alta tensión? ¿Por qué no se electrocutan? La respuesta es muy sencilla: están a un mismo potencial eléctrico; por tanto, al no existir diferencia de potencial, no existirá corriente circulante que dañe el cuerpo del ser vivo.

Cuando un rayo impacta, todos los elementos metálicos pueden energizarse y elevarse los potenciales a niveles muy altos; si estos elementos están separados, es decir, no interconectados cada uno, entonces tendrán un nivel de potencial diferente y, dependiendo de la distancias entre ellos, se podrán generar chispas peligrosas que provoquen incendios o explosiones. Este elemento es tratado por normas nacionales e internacionales con gran rigor.

La Sección 4.4.1 de la NMX-J-549-ANCE-2005 plantea la función de la unión equipotencial, que es reducir las diferencias de potencial generadas por un rayo cuando éste incide en los elementos de intercepción de un SEPTE, sobre o en las cercanías de la instalación o estructura. La diferencia de potencial puede producir la circulación de corrientes indeseables y la generación de arcos eléctricos, con riesgo de fuego y explosión en áreas peligrosas, o bien algún daño físico tanto a los seres vivos como al equipo.

La NFPA 780, Sección 7.4.1.3.1, dice que cuando el sistema de unión-conexión a tierra es toda de metal la resistencia en los caminos de tierra continuos normalmente es de menos de 10 ?. Tales sistemas incluyen aquellos que tienen múltiples componentes.

Existe un elemento base en los sistemas de puesta a tierra que hoy aún es discutido por muchos ingenieros, técnicos y directivos: el concepto de unión equipotencial (UE). Una de las finalidades de este artículo es contribuir con lo que he leído e integrado como los “pilares de la equipotencialidad”, que no es más que la existencia de un único sistema de puesta a tierra a donde se conecten todos los servicios, debiéndose considerar los siguientes aspectos:

1. Conexión del neutro en la acometida al SPT
2. Interconectar la estructura del edificio, así como los elementos metálicos de la cimentación y acero de refuerzo en los entrepisos
3. Conexión de todos los tableros y elementos metálicos que puedan ponerse en contacto con energía (tableros, bases de motores y equipos que manejen energía eléctrica, charolas, escaleras metálicas, soportes metálicos de pisos falsos, entre otros)
4. Tanques de combustibles
5. Tuberías metálicas en el interior de la edificación
6. Puertas y marcos metálicos
7. Equipos de extracción de aire (condensadoras o manejadoras)
8. Conexión de los supresores de sobretensión transitoria al SPT

Todo lo antes mencionado se resume en la Figura 2.

¿Qué soluciones se pueden encontrar para lograr la equipotencialidad en edificaciones que poseen gran altura y elevada profundidad de las cimentaciones?
La Ciudad de México marcha a la vanguardia de las capitales de Latinoamérica y el mundo en la construcción de edificaciones de gran altura; como resultado, requieren cimentaciones profundas que a su vez son utilizadas como niveles de estacionamientos. Esto implica que la solución de impermeabilización sea el uso de planchas aislantes perimetrales, lo que representa un factor importante al considerar las consecuencias de dicho aislamiento y su efecto en la resistencia de propagación de tomas de tierra, zapatas y losas de cimentación. Por ejemplo, es posible encontrar una resistencia específica de 5,4.102 ?m para una espuma dura de poliuretano, con una densidad de 30 kg/m².

Sólo con base en estas consideraciones puede inducirse que este elemento actúa como aislante eléctrico. En las Figuras 3 y 4, se muestran las diferentes posibilidades de integrar las soluciones de puesta a tierra en el armado de la estructura, con el objeto de tener puntos de toma de tierra en cada nivel de la cimentación.

En caso de aislamiento completo de la losa de cimentos, el reto consiste en no colocar electrodos, que por el empuje del manto freático al paso de los años provoquen la perforación de la losa y ocasione la penetración del agua. En estos casos es recomendado el uso de soleras de acero inoxidable V4A por debajo de la capa del terreno que, interconectada a las tomas de tierra, hagan una función efectiva del sistema de puesta a tierra. En la Figura 4 se muestra cómo se realiza la colocación del sistema de puesta a tierra con material resistente a la corrosión, que permite, ya superado el manto freático, realizar puntos fijos de toma de tierra.

¿Cuál es el origen de tantos accidentes mortales en seres humanos y animales?
Este tema se ha convertido en un misticismo que por suerte cada día tiene mayor difusión, pero dolorosamente no se toman las medidas adecuadas para evitar los lamentables accidentes. Muchos le atribuyen a la descarga atmosférica directa la muerte de animales y seres humanos cuando ni siquiera la zona del accidente ha sido impactada por un rayo.

Es conocido que el impacto de una descarga atmosférica sobre el terreno a kilómetros de distancia puede provocar elevación de tensión. Dicha sobretensión será aplicada a seres humanos y animales; por ejemplo, en un partido de futbol, la persona puede alcanzar pasos superiores a 1 metro entre sus piernas; animales, como la res y los caballos, tienen distancias entre sus extremidades traseras y delanteras superiores a 1 metro. Es aquí cuando entramos en la definición de dos conceptos importantes: tensión de paso y tensión de toque.

Existen tomas de tierra superficial que, por lo general, están a profundidades inferiores a 0.8 metros y que se pueden realizar en conductor redondo o pletinas (soleras), pudiendo colocarse en forma radial, anular, mallas o combinación de éstas y las tomas de tierra de profundidad que son por lo general introducidas verticalmente, conocidas como picas, varillas de tierra o electrodos verticales. Éstas deben estar de forma adecuada unidas a las tomas de tierra del cimiento, las cuales se componen de uno o varios conductores embebidos en el concreto de la cimentación y se encuentra en contacto con el terreno en una gran superficie, siendo de gran importancia el uso de la estructura como un electrodo natural de gran efectividad debido a su elevada superficie de contacto.

Lograr esa unión equipotencial permitirá minimizar las dañinas tensiones de paso y contacto definidas como:

• Tensión de Toque (Ut): es la parte del potencial de la puesta a tierra que puede transmitirse a las personas, considerándose como vía para la circulación de la corriente por el cuerpo humano, la cual va desde la mano hasta el pie o bien de una mano a otra
• Tensión de paso (Us): es la parte del potencial de la puesta a tierra que puede afectar a las personas al dar un paso de 1 metro de longitud, siendo la vía para la circulación de la corriente a través de un pie a otro del cuerpo humano
• Tensión de puesta de tierra (UE): es la tensión existente entre la instalación de la toma de tierra y la tierra de referencia
• Potencial de la superficie de tierra: es la tensión existente entre un punto de la superficie de tierra y la tierra de referencia

Existen ecuaciones para el cálculo de las tensiones de paso y toque, siendo la base del diseño de las mallas de tierra en las subestaciones por el peligro que representan para los operadores o personal de mantenimiento. Para esto, es importante lograr el control de potencial, que no es más que la posibilidad de influir sobre el potencial de la superficie de la tierra, a través de tomas de tierra de control (ver Figura 5).

La compensación de potencial es la conexión de instalaciones metálicas y de sistemas eléctricos con la instalación de protección contra rayos, a través de conductores, descargadores de corriente de rayo (supresores) o vías de chispas de separación. Esto es un tema en extremo discutido, por lo que es preciso referenciarlo a las normas IEC 60364-4-41, IEC 60364-5-54 y la NMX-J-549-ANCE-2005, en las que se plantea que la compensación de potencial evita las diferencias de potencial que puedan provocar las tensiones de contacto peligrosas; por ejemplo, entre el conductor de protección de la instalación de los consumidores en baja tensión y las tuberías de agua, gas y calefacción.

Es importante señalar que el uso de supresores de sobretensión transitoria es empleado para dos casos importantes por considerar:

• Protección de equipo eléctrico y electrónico sensible
• Donde no se permita el uso de conductores de unión, como en la unión de dos piezas metálicas aisladas entre sí en tuberías de gas, y por restricciones del sistema de protección catódica

¿Es el cobre el único material utilizado en los sistemas de puesta a tierra?
Los materiales utilizados en los sistemas de puesta a tierra deben ser de alta conductividad y durabilidad, resistentes a la corrosión del suelo, agua o contaminantes y al contacto con metales o aleaciones que genere corrosión por efecto galvánico.

Las normas plantean tres materiales base para los electrodos de puesta a tierra con diferentes configuraciones y secciones mínimas:

• Cobre (cable trenzado o cilíndrico sólido de 53.5 mm2)
• Acero (varilla de acero estirada en frío, con recubrimiento de cobre electrolítico, diámetro mínimo de 14.3 y máximo de 15.5 mm, con espesor de recubrimiento de 0.254 mm y varilla galvanizada; diámetro de 13 mm mínimo y 25 mm máximo, con espesor de recubrimiento entre 0.070 y 0.086 mm)
• Acero inoxidable tipo aleación 304 (varilla de diámetro de 14.3 mm mínimo y 15.5 mm máximo)

¿Cuál es la configuración más utilizada en las instalaciones de puesta a tierra? ¿Es aplicable para todo tipo de terreno?
Sin duda, el uso de la configuración delta en las instalaciones ha llevado por años una solución de SPT que no siempre ha resultado, ya que se ha empleado sin previos estudios del tipo de suelo donde se va a instalar e incluso sin los elementos de equipotencialidad antes mencionados. Existe en la NMX-J-549-ANCE 2015 la tabla C.1 de ecuaciones para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra, donde se puede ver cómo diseñar partiendo de las condiciones reales del terreno, como la resistividad, las longitudes del electrodo, etcétera.

Una pregunta que todos deben hacerse en el momento de evaluar la importancia de un sistema de puesta a tierra es cuáles pueden ser los costos de no contar con un sistema de puesta a tierra correctamente instalado:

• Pérdidas humanas
• Paros inesperados de la maquinaria, representando un costo elevado y pérdidas para la empresa
• Siniestro causado por accidentes al no contar con un sistema de protección ante una falla eléctrica que genere daños a empleados, sanciones del seguro social e indemnizaciones
• Costos de tiempos no productivos, con las implicaciones de afectaciones en salarios y no brindar servicios en tiempo y forma
• Costo por reparación de equipos dañados o sustitución, entre otros

Conclusiones

No es posible que en la actualidad una instalación, por simple que sea, no cuente con un sistema de puesta a tierra. Para un ingeniero civil o un arquitecto, la garantía de su obra está en la cimentación; para el especialista eléctrico, en el sistema de puesta a tierra.

Ahora bien, una edificación puede tener una excelente cimentación, pero si en la construcción del edificio no se ejecuta con los controles y medidas de seguridad en su diseño, sin duda el edificio puede desplomarse. De igual forma, en la protección eléctrica se puede tener un excelente sistema de tierra, pero si no se diseña una protección externa SEPTE (pararrayos de forma confiable) ni se implementa un sistema interno SIPTE (con el uso de supresores, no sólo en la red de energía, sino en la de datos y comunicación), los daños a la instalación y los seres humanos serán irremediables.

José Ordoñez López

Ingeniero en Electrificación Industrial por la Facultad de Ingeniería Eléctrica del ISPJAE. Cuenta con una maestría en Ingeniería Eléctrica. Ha sido profesor de la Universidad Politécnica de La Habana, de la UP, del ITESM, Campus Ciudad de México, y de la Universidad La Salle. Actualmente, es director Técnico en DEHN Protection México.