Diseño de la protección integral del sistema de puesta a ...

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Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

1-1-2002

Diseño de la protección integral del sistema de puesta a tierra Diseño de la protección integral del sistema de puesta a tierra

para las torres de telecomunicaciones en el Cerro de Manjui para las torres de telecomunicaciones en el Cerro de Manjui

Andrey Alexander Beltrán Universidad de La Salle, Bogotá

Leiber Alexander Salguero Vallejo Universidad de La Salle, Bogotá

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Citación recomendada Citación recomendada Beltrán, A. A., & Salguero Vallejo, L. A. (2002). Diseño de la protección integral del sistema de puesta a tierra para las torres de telecomunicaciones en el Cerro de Manjui. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica/327

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DISEÑO DE LA PROTECCIÓN INTEGRAL DEL SISTEMA DE PUESTAA TIERRA PARA LAS TORRES DE TELECOMUNICACIONES EN EL

CERRO DE MANJUI

ANDREY ALEXANDER BELTRÁNLEIBER ALEXANDER SALGUERO VALLEJO

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ, D.C.

2002

DISEÑO DE LA PROTECCIÓN INTEGRAL DEL SISTEMA DE PUESTAA TIERRA PARA LAS TORRES DE TELECOMUNICACIONES EN EL

CERRO DE MANJUI

ANDREY ALEXANDER BELTRÁNLEIBER ALEXANDER SALGUERO VALLEJO

Trabajo de Grado para optar el título deIngeniero Electricista

DirectorIng. CAYETANO RUGELES MANTILLA

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ, D.C.

2002

IV

Nota de Aceptación

______________________

______________________

______________________

_______________________Director de Proyecto

_______________________ Jurado

_______________________ Jurado

Bogotá D.C., Agosto de 2002

V

A mis padres

Jairo y Mariela con

Todo mi amor, a mí

Hermana, a mí Novia, a

mis familiares

VI

A mis Padres con

Todo mi amor, a mis

Hermanos, a Martha,

A Juan Sebastián

VII

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a:

Cayetano Rugeles Mantilla, Ingeniero Electricista y Director del trabajo, porsus valiosas orientaciones reflejadas en este Trabajo de Grado.

A las compañías, BELLSOUTH, en su representación, Ingeniero MauricioTorres, Ingeniero Guillermo Carrascal, Gerente de Transmisión e IngenieroMiguel Garabito; BURMÁN RADIO, Doctora Gloria Manrique, Gerente;INRAVISIÓN, Doctor Hernando Carrisoza Luna, Vicepresidente Técnico;AERONÁUTICA CIVIL, Doctor Reinaldo Castro, Jefe de DepartamentoTécnico; RCN RADIO, Ingeniero Oscar Vargas, Gerente Técnico;CONSORCIO DE CANALES NACIONALES PRIVADOS RCN YCARACOL T.V, Ingeniero Juan Carlos Cardona.

VIII

CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN

1. DEFINICIONES. 23

1.1 SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA (SPAT). 231.2 BOBINA DE CHOQUE. 231.3 CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA. 231.4 CONECTOR DE TIERRA. 231.5 CONDUCTOR DE TIERRA. 231.6 CONDUCTOR DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA DE LOS EQUIPOS. 241.7 CONEXIÓN DE EQUIPOTENCIALIZACIÓN. 241.8 DISTANCIA DE DESCARGA. 241.9 ELEVACIÓN DEL POTENCIAL DE LA TIERRA (GPR). 241.10 EQUIPOTENCIALIDAD. 241.11 IMPEDANCIA DE IMPULSO. 251.12 IMPEDANCIA LIMITADORA. 251.13 INSTALACIÓN DE TIERRA DE PROTECCIÓN. 251.14 INSTALACIÓN DE TIERRA DE SERVICIO. 251.15 INSTALACIONES DE TIERRAS SEPARADAS. 251.16 INTERRUPTORES Y FUSIBLES. 251.17 MODELO ELECTRO GEOMÉTRICO. 251.18 POTENCIAL DE TIERRA. 281.19 PUESTAS A TIERRA. 281.20 RECORTADORES O LIMITADORES DE SOBRETENSIÓN. 291.21 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA. 291.22 RESISTIVIDAD. 301.23 TRANSITORIOS – TRANSIENTES. 321.24 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE TIERRA. 32

IX

1.25 TENSIÓN DE FRENTE DE ONDA. 321.26 TENSIÓN DE LIMITACIÓN O DE CORTE. 321.27 TENSIÓN DE PASO. 321.28 TENSIÓN DE TOQUE. 331.29 TIEMPO DE RESPUESTA. 341.30 TIERRA DE REFERENCIA. 341.31 TIERRA DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS. 341.32 TIERRA FÍSICA. 351.33 TIERRA REMOTA. 361.34 JAULA DE FARADAY 36

2. SISTEMAS DE PROTECCIÓN EXTERNACONTRA RAYOS (SPE). 38

2.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS. 382.1.1 Características de las descargas atmosféricas. 382.2 COMPONENTES DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN

EXTERNO 392.2.1 Materiales del Sistema de Protección externo 412.3 NIVELES DE PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS DE LOS RAYOS 422.4 DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES 462.4.1 Especificaciones para un sistema de protección externo contra rayos 482.5 RECOMENDACIONES 48

3. SISTEMA ELECTRODO DE TIERRA 51

3.1 TEORÍA DE CONEXIÓN A TIERRA 513.1.1 Componentes del sistema electrodo de tierra 513.1.2 Funciones del electrodo de tierra 553.1.3 Resistencia a tierra del electrodo de tierra 573.2 EFECTOS DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO 583.3 TÉCNICAS DE CONEXIÓN A TIERRA PARA EL SISTEMA ELECTRODO DE TIERRA. 60

X

4. PRESTACIONES DE LOS ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA EN SITIOS DE TELECOMUNICACIONES 61

4.1 PRINCIPALES PRESTACIONES ELÉCTRICAS 614.1.2 Alta Conductividad Eléctrica 614.1.3 Alta Conductividad Térmica 614.2 PRINCIPALES PRESTACIONES MECÁNICAS Y FÍSICAS 624.2.1 Alta Resistencia a la Tracción 624.2.2 Mínima Dilatación Lineal 624.2.3 Mínima Elongación Permanente 624.3 AGRESIVIDAD DEL ENTORNO. 624.3.1 Los Rellenos 634.3.2 Suelo Natural 634.3.3 Suelo arenoso o pedregoso 634.3.4 Suelo rocoso 64

5. PUESTA A TIERRA DE SITIOS DETELECOMUNICACIONES 65

5.1 PUNTO ÚNICO DE CONEXIÓN A TIERRA 655.1.1 Subsistema exterior de tierra 665.1.2 Subsistema de tierra interior 675.2 PROTECCIÓN CONTRA SOBREVOLTAJES TRANSITORIOS. 685.3 DEFINICIONES. 685.3.1 Soldadura exotérmica 685.3.2 Barra externa de tierra 685.3.3 Campo de tierra de la oficina central 695.3.4 Barra principal de tierra 705.3.5 Zona de tierra aislada (IGZ) 755.3.6 Zona de tierra no aislada 765.3.7 Bastidor principal de distribución 765.3.8 Cables de entrada 78

XI

5.4 PROTECCIÓN PARA LA ENTRADA DE SERVICIO DE LOS SUPRESORES DE SOBREVOLTAJES TRANSITORIOS. 795.4.1 Evaluación de los supresores de sobrevoltaje

Transitorios 805.5 SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE UN SITIO DE

TELECOMUNICACIONES 815.5.1 El sistema de electrodo de tierra 815.5.2 Varillas de puesta a tierra. 815.5.2.1 Radiales 825.5.3 Conductor del anillo exterior de tierra 835.5.4 Unión del electrodo de puesta a tierra 835.5.5 Estructuras de soporte 845.6 Sistema de protección contra descargas atmosféricas 845.6.1 Dispositivos de protección contra sobrevoltajes

Transitorios 845.6.2 Conductores bajantes 855.6.3 Guías de onda 855.6.4 Sistema de referencia de señal 855.6.5 Redes de baja frecuencia 865.6.6 Instalación del conductor de conexión a tierra 865.6.7 Anillo interior de tierra o halo 875.7 ESFERA RODANTE 895.7.1 Conexión a tierra para torres de antena 895.8 SELECCIÓN DE PROTECTORES. 935.8.1 Sobrecorriente 94

6. DISEÑO Y CÁLCULO DE LA PROTECCIÓN INTEGRAL 96

6.1 METODOLOGÍA 966.1.1 Recopilación de la información necesaria 966.1.2 Visitas al sitio 966.2 INSTRUMENTOS UTILIZADOS 976.3 MEDIDAS 976.3.1 Método de WENNER 976.3.2 Método de Schlumberger – Palmer 98

XII

6.3.3 Método de la caída de potencial 996.4 DESCRIPCIÓN DE UNA ESTACIÓN BASE TÍPICA. 1006.5 CONEXIÓN A TIERRA DE LA PATA DE LA TORRE. 1016.6 CURVATURA DE LOS CONDUCTORES. 1036.7 SISTEMAS EXTERIORES DE PUESTA A TIERRA PARA LAS ESTACIONES DE TELECOMUNICACIONES EN EL CERRO DE MANJUI 1046.7.1 Apantallamiento 1046.7.2 Cercas metálicas 1046.7.3 Escalerillas exteriores de metal 1056.7.4 Altura de las Varas Pararrayos 1056.7.5 Uso de Puntas Captadoras 1056.8 CALIBRES RECOMENDADOS EN EL REDISEÑO 1066.9 CÁLCULOS PARA EL SISTEMA INTEGRAL DE PUESTA A TIERRA 1086.9.1 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES

INRAVISIÓN 1086.9.1.1 Medición de la Resistencia del Sistema de Puesta

a Tierra Existente 1086.9.1.2 Medición de la Resistividad del suelo 1106.9.1.3 Observaciones 1106.9.2 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES BELLSOUTH TELEFONÍA CELULAR 1116.9.2.1 Medición de la Resistencia del Sistema de Puesta

a Tierra Existente 1116.9.2.2 Medición de la Resistividad del suelo 1126.9.2.3 Observaciones 1126.9.3 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES CONSORCIO

CANALES PRIVADOS NACIONALES DE TELEVISIÓN. 1136.9.3.1 Medición de la Resistencia del Sistema de Puesta a Tierra Existente 1136.9.3.2 Medición de la Resistividad del suelo 1146.9.3.3 Observaciones 1146.9.4 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES BURMÁN RADIO. 115

XIII

6.9.4.1 Medición de la Resistencia del Sistema de Puestaa Tierra Existente 115

6.9.4.2 Medición de la Resistividad del suelo 1166.9.4.3 Observaciones 1166.9.4.4 Cálculo de la Resistencia para el sistema integral de Puesta a tierra de la estación de telecomunicaciones BURMÁN Radio. 1176.9.5 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES AERONÁUTICA CIVIL. 1236.9.5.1 Medición de la Resistencia del Sistema de Puesta a Tierra Existente 1236.9.5.2 Medición de la Resistividad del suelo 1246.9.5.3 Observaciones 1246.9.5.4 Cálculo de la Resistencia para el sistema integral de

Puesta a tierra de la estación de telecomunicacionesAERONÁUTICA CIVIL 125

6.9.6 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES RCN RADIO 1316.9.6.1 Medición de la Resistencia del Sistema de Puesta a Tierra Existente 1316.9.6.2 Medición de la Resistividad del suelo 1326.9.6.3 Observaciones 1326.9.6.4 Cálculo de la Resistencia para el sistema integral de Puesta a tierra de la estación de telecomunicaciones RCN Radio. 1336.9.7 CALCULO DE LA MALLA DE ENLACE 139

7. CONCLUSIONES. 141

BIBLIOGRAFÍA 144

ANEXOS 147

XIV

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Resistividad en tipos de suelo 31Tabla 2. Dimensiones mínimas para terminales de captación 47Tabla 3. Dimensiones mínimas para bajantes 47Tabla 4. Dimensiones mínimas de electrodos de puesta a tierra 47Tabla 5. Requisitos mínimos para materiales clase I (En la especificación para un sistema de protección contra rayos) 48Tabla 6. Requisitos mínimos para materiales clase II (En la especificación para un sistema de protección contra rayos) 48Tabla 7. Tabla para seleccionar el calibre del conductor del electrodo de tierra 58Tabla 8. Variaciones de resistividad en un suelo arcilloso y arenoso a diferentes temperaturas 59Tabla 9. Otros de los calibres que deben utilizarse para cada

Una de las siguientes conexiones. 106Tabla 10. Características de diversos tipos de protección 107

XV

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Representación del Modelo Electrogeométrico 26Figura 2. Representación de los Arcos de protección. 27Figura 3. Zona de protección y apantallamiento 28Figura 4. Resistencia de una jabalina o electrodo. 30Figura 5. Resistencia de una varilla 30Figura 6. Resistividad del terreno 31Figura 7. Tensión de paso 33Figura 8. Tensión de contacto 33Figura 9. Conexión al Sistema de Puesta a Tierra de la protección contra rayos 35Figura 10. Tierra física. 36Figura 11. Curva representativa de una descarga atmosférica (8/20 micro segundos) 39Figura 12. Algunos tipos de protección primaria y uno secundaria. 42Figura 13. Entrada de cables a una jaula de Faraday 45Figura 14. Protección primaria detallada de un edificio contra rayos. 46Figura 15. Tubería conectada al anillo de tierra 52Figura 16. Conexión al anillo exterior de tierra 53Figura 17. Anillos pertenecientes al Sistema de Puesta a Tierra integral de una estación de telecomunicaciones 54Figura 18. Distancia mínima de separación entre electrodos 55Figura 19. Método para la medición de la resistencia de un electrodo 57

XVI

Figura 20. Electrodos básicos de Puesta a Tierra Horizontal y vertical con empalmes tipo presión y exotérmica 61Figura 21. Instalaciones de puesta a tierra puntuales ( Electrodo, Relleno, Suelo) 62Figura 22. Anillo de tierra, exterior e interior en una estación

de telecomunicaciones típica 67Figura 23. Barra exterior de tierra unida al anillo exterior de tierra 70Figura 24. Barra principal de tierra. 71Figura 25. Conexiones a una barra principal de tierra 72Figura 26. Sistema de puesta a tierra de un sitio de telecomunicaciones. 77Figura 27. Sistema de puesta a tierra de un sitio de comunicaciones en forma radial 82Figura 28. Concepto de la esfera rodante para protección contra rayos, aplicada a una torre mayor de 46 m de altura 90Figura 29. Protección de equipos y antenas cuando la altura de la torre excede los 45.75 m. 91Figura 30. Método de WENNER para el cálculo de resistividad 98Figura 31. Método de Shumberger Palmer, para la medida de la resistencia del suelo 98Figura 32. Método de la caída de potencial 100Figura 33. Disposición de equipos de una base típica 101Figura 34. Conexión de tierra en la pata de la torre. 102Figura 35. Conexión a tierra de los cables tensores de sujeción. 102Figura 36. Curvatura mínima de los conductores. 103Figura 37. Bajante de una estructura conectada al Sistema de Puesta a Tierra 103Figura 38. Tipo de varillas pararrayos. 106

XVII

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Fotografías de componentes de los sistemas de protección de cada una de las estaciones de telecomunicaciones ubicadas en el Cerro de Manjui 148

Anexo B. Determinación de los coeficientes K1 y K2 Para la fórmula de Schuwarz 149

Anexo C. Planos de rediseño de los Sistemas de Puesta a Tierra de las estaciones de telecomunicaciones BELLSOUTH, RCN Radio, Aeronáutica Civil y Consorcio de Canales Nacionales privados RCN y Caracol T.V. y malla de enlace 151

XVIII

RESUMEN

El objetivo del presente trabajo es el de diseñar un sistema de protecciónintegral para las estaciones de telecomunicaciones ubicadas en el Cerro deManjui ante descargas atmosféricas y sobretensiones internas o externas,además de consideraciones prácticas que se deben tener en cuenta para unposterior rediseño en estas estaciones. Se pretende dar la informaciónnecesaria para que empresas interesadas opten por este trabajo como una guíapara sus intereses.

Se realizó un estudio descriptivo de cada una de las siguientes estaciones detelecomunicaciones: INRAVISIÓN T.V; BELLSOUTH; CANALESNACIONALES PRIVADOS RCN Y CARACOL T.V; RCN RADIO;BURMAN RADIO y AERONÁUTICA CIVIL; partiendo de ladeterminación de que un Sistema de Puesta a Tierra debe tener una resistenciade tierra tan baja como sea posible. Se midieron la resistencia y resistividaddel terreno en estas estaciones, por medio de los métodos deSCHLUMBERGER - Palmer y WENNER, cuya explicación de cada uno seencuentra en este trabajo.

La característica más relevante para la realización exitosa de toma de datos alhacer las mediciones respectivas, es que no se debe medir cuando el sueloesté húmedo por causa de las lluvias, o en partes que normalmente no sonhúmedas y en el momento de la medición lo están.

Las estaciones AERONÁUTICA CIVIL; BURMAN RADIO y RCN RADIO,presentaron valores de resistencia de Puesta a Tierra demasiado altos, lo cualconlleva a elaborar un rediseño del Sistema de Puesta a Tierra de estasestaciones, dándose las pautas necesarias en este trabajo.

XIX

Para ofrecer una mayor seguridad ante las sobretensiones mencionadas, sediseñó una malla de enlace la cual interconecta las siguiente estacionesdebido a la cercanía que existe entre ellas: RCN RADIO; CANALESNACIONALES PRIVADOS RCN Y CARACOL T.V; BELLSOUTH yAERONÁUTICA CIVIL.

Antes de comenzar el diseño es necesario efectuar un análisis general del áreay del cubrimiento de la malla. Un diseño preliminar incluirá la longitud y elcalibre del conductor que se extiende alrededor de la periferia del área, máslos conductores en paralelo para brindar acceso a la conexión de los equipos.

Realizados los análisis y cálculos respectivos se concluyó que para evidenciarlas posibles causas perturbadoras, así como las variaciones sensibles en lahomogeneidad del suelo que se analiza, es mejor realizar mediciones endiversos lugares cerca del sitio en donde se construirá el sistema de Puesta aTierra y con mínimo cinco separaciones entre los electrodos de medición.

Como aspecto de seguridad importante, se recomienda no efectuarmediciones en condiciones atmosféricas adversas como tormentas o lluviasintensas. En caso que se presente una tormenta eléctrica se deben detenerinmediatamente las mediciones, se debe proteger el personal de terreno yseguidamente el equipo de medición, pudiendo dejar los electrodos y loscables enterrados mientras termina la tormenta.

INTRODUCCIÓN

En la vida diaria y en la industria los efectos de los rayos son igualmentedevastadores, cientos de personas en el mundo sufren lesiones o mueren cadaaño como consecuencia de las tormentas eléctricas, en los sistemas detransmisión y distribución, así como en sistemas electrónicos éstas son elorigen de la mayor cantidad de fallas e interrupciones en el servicio.

Para que problemas como estos puedan ser eliminados o mitigados esnecesario hacer seguimientos a las descargas eléctricas atmosféricas,midiendo, localizando y analizando su comportamiento, para tomar medidasde prevención y protecciones adecuadas que contrarresten fenómenos desobretensión, como es el propósito de este trabajo.

Ha habido últimamente un notable avance tecnológico en materia decomponentes electrónicos, los cuales sin embargo continúan siendo muysensibles a las variaciones de tensión. Por lo tanto, se hace necesario laimplementación y mejoramiento de los Sistemas de Puesta a Tierra (SPAT).

Los centros de comunicaciones y las torres de telecomunicación constituyenaplicaciones prácticas muy frecuentes de estos componentes. En Colombia seha investigado en la determinación de parámetros generales de diseño para laprotección contra descargas atmosféricas y sobretensiones, aunque esto hasido algo complejo debido a la cantidad de casos particulares que sepresentan.

Muchas de las estaciones de Telecomunicaciones se encuentran ubicadas ensitios elevados o disponen de torres altas lo que implica una alta exposiciónante fenómenos electromagnéticos relacionados con las descargasatmosféricas que ponen en peligro sus muy delicados y costosos equiposelectrónicos, disminuyendo la confiabilidad y continuidad requerida para elservicio.

El origen de este trabajo radica en que las señales de televisión, radio ycomunicaciones que son enviadas desde el Cerro de Manjui a gran parte delpaís, están presentando interferencias electromagnéticas. Los sistemas dePuesta a Tierra (SPAT) están siendo vulnerados, afectando la parte eléctrica yelectrónica de las estaciones debido a sus continuas expansiones y/o reformasque se hacen en ellas.

La empresa INTERNACIONAL DE INGENIERÍA LTDA, realizórecientemente investigaciones en algunas de las estaciones detelecomunicaciones que se encuentran ubicadas en el Cerro de Manjui, talescomo: Los Canales Privados de Televisión (Caracol y RCN), buscandomitigar estas nefastas perturbaciones que se pueden presentar ante descargasatmosféricas.

Este Trabajo de grado “DISEÑO DE LA PROTECCIÓN INTEGRAL DELSISTEMAS DE PUESTA A TIERRA PARA LAS TORRES DETELECOMUNICACIONES EN EL CERRO DE MANJUI”, es un trabajoque se puede adaptar a todos los sistemas de telecomunicaciones, edificios,estructuras e industria, ya que acoge principios de normas técnicasinternacionales como la IEEE 80 y normas técnicas nacionales como la NTC4252.

El adecuado dimensionamiento del sistema de puesta a tierra, apantallamientoy sistema de protecciones está dirigido a lograr la eficiente coordinación conel sistema de potencia y garantizar la seguridad del personal y los equipos quepuedan quedar expuestos a tensiones peligrosas en el caso de fallas a tierra odescargas eléctricas atmosféricas; ésto da como resultado un óptimo sistemaintegral de puesta a tierra.

Este trabajo pretende una vez indicados los riesgos por causas de las descargasatmosféricas y sobretensiones internas, ya sean por maniobra o servicio, darsoluciones para evitar accidentes, daños a equipos, en especial a equiposelectrónicos, los cuales son los más propensos a daños y por su cargaeconómica, los más prioritarios de la instalación después de la seguridad delas personas.

En el Cerro de Manjui, además de proponer un sistema integral para cadaestación, se pretende interconectar el Sistema de Puesta a tierra de unaestación de Telecomunicaciones con el sistema de puesta a tierra de otra;teniendo en cuenta la ubicación de cada estación, para ofrecer un sistema deprotección (Sistema de Puesta a Tierra) más integral.

Este Sistema de Protección Integral busca de manera eficiente y realredireccionar, distribuir, evacuar la corriente de rayo y proteger a las personas,estructuras y a los equipos de los efectos directos e indirectos de un rayo.

Dentro de éste diseño se pretende también adecuar un Sistema de ProtecciónExterno Contra Rayos” (SPE) a la totalidad de los dispositivos e instalacionesen el exterior, encima y/o adosados a la estructura que se ha de proteger, paracaptar y derivar la corriente de rayo a la instalación de puesta a tierra de formasegura.

Esto se consigue proporcionando caminos directos altamente conductivos parael paso de la corriente del rayo desde o hacia tierra, mientras se minimiza lapreferencia por los caminos alternativos dentro de la estructura protegida.

El diseño de la malla de enlace que se muestra en este trabajo es algonovedoso, ya que minimiza aún más los riesgos de sobretensiones producidaspor las descargas atmosféricas. Aunque esta aplicación es puramente teórica,esta investigación pretende que empresas interesadas en el tema, tal es el casode INTERNACIONAL DE INGENIERÍA LTDA, tome esta como una guíapara la implementación y desarrollo de un proyecto de implementación de unsistema como el aquí propuesto.

La disponibilidad de acceso a cada una de las estaciones detelecomunicaciones ubicadas en el cerro de Manjui dependía estrictamente dela situación de orden público que se vive en el país, lo cual introdujorestricciones para el acceso al lugar.

Sólo se efectuaron visitas a las estaciones de telecomunicaciones cuyopermiso de ingreso fue aprobado por cada una de las siguientes compañías:INRAVISIÓN T.V; BELLSOUTH; CONSORCIO DE CANALESNACIONALES PRIVADOS RCN Y CARACOL T.V; BURMAN RADIO;RCN RADIO y AERONÁUTICA CIVIL.

UNIVERSIDAD DE LA SALLE Facultad de Ingeniería Eléctrica

23 Andrey Alexander Beltrán Leiber Alexander Salguero

1. DEFINICIONES De acuerdo a normas como la NTC 2206, 3582, el NEC, IEEE 80 e IEEE 81, tenemos las siguientes definiciones: 1.1 SISTEMA DE PUESTA A TIERRA (SPT) (Grounding System) Conjunto de elementos conductores de un sistema eléctrico específico, sin interrupciones ni fusibles, que unen los equipos eléctricos con el suelo o terreno o conjunto formado por la puesta a tierra, el colector de tierra y el sistema de distribución de tierra. 1.2 BOBINA DE CHOQUE Elemento acoplador que puede utilizarse para interconectar los diferentes Sistemas de Puesta a Tierra (SPAT), con el fin de reducir perturbaciones eléctricas en los equipos sensibles.(Anexo A-Fotografía 10) 1.3 CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA Energía que puede disipar un limitador para un impulso de corriente con forma y valor pico definidos, teniendo aplicada al mismo tiempo la tensión normal de operación, sin que se produzca falla del dispositivo. 1.4 CONECTOR DE TIERRA Conductor en forma de barra o de anillo al que están conectados por un lado, el conductor o conductores para aterrizar equipos o estructuras metálicas y, por el otro, el sistema de puesta a tierra. 1.5 CONDUCTOR DE TIERRA Conductor que une el colector de tierra con el equipo. Esta definición es válida únicamente para los tramos aislados eléctricamente del terreno, mientras que los tramos en contacto con el terreno forman parte de la Puesta a Tierra.



1.6 CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA DE LOS EQUIPOS Se puede definir como un alambre o cable conductor que interconecta todas las partes metálicas de los equipos, que requieran ser puestos a tierra, usualmente no transportan corriente, para mantenerlos a una referencia cero o plano equipotencial. Se calcula según tabla NEC 250-122. Inusualmente se le llama “masa” para diferenciarlo de la tierra física.(Ver Anexo A-Fotografía 6) 1.7 CONEXIÓN DE EQUIPOTENCIALIZACIÓN Conexión eléctrica entre objetos conductores con el propósito de reducir significativamente las diferencias de potencial entre ambos. Al igual, es una unión permanente de partes metálicas para formar una trayectoria eléctricamente conductora, que asegure la continuidad eléctrica y la capacidad para conducir con seguridad cualquier corriente de falla. 1.8 DISTANCIA DE DESCARGA Longitud del último paso de la guía de un rayo y el terminal más cercano. 1.9 ELEVACIÓN DEL POTENCIAL DE LA TIERRA – GPR Es la máxima tensión que, ante una falla o descarga eléctrica, puede alcanzar la malla de tierra de una instalación, relativa a un punto de tierra distante que se asume estar al potencial de tierra remota. 1.10 EQUIPOTENCIALIDAD Una superficie equipotencial es aquella en la cual no se presentan diferencias de potencial entre dos puntos de la misma. Este concepto es importante, dado que la equipotencialidad garantiza la no existencia de descarga entre puntos. Cuando se busca igualar el potencial entre dos equipos se habla de equipotencialización externa, mientras que cuando se trata de evitar diferencias de potencial importantes dentro de un mismo equipo se habla de equipotencialización interna. Este principio debe ser aplicado ampliamente en SPAT, ya que indica que todos los puntos que deben ser puestos a tierra, deben estar interconectados con una puesta a tierra a través de una mínima resistencia.



1.11 IMPEDANCIA DE IMPULSO Impedancia que presenta el sistema de puesta a tierra ante un impulso atmosférico con parámetros de forma y magnitud normalizados. 1.12 IMPEDANCIA LIMITADORA Elemento utilizado para la unión del neutro de un sistema eléctrico con la tierra. Pueden ser resistencias altas o bajas, transformadores zig-zag o delta estrella, reactancias o neutralizadores de pérdidas. 1.13 INSTALACIÓN DE TIERRA DE PROTECCIÓN Instalación de tierra empleada para limitar las sobretensiones accidentales, y garantizar el retorno a la fuente de las corrientes de falla. 1.14 INSTALACIÓN DE TIERRA DE SERVICIO Instalación utilizada para el funcionamiento de un equipo de telecomunicaciones, la cual es conectada a una tierra de referencia. 1.15 INSTALACIONES DE TIERRA SEPARADAS Instalaciones de tierra con sistemas de puesta a tierra distintas, con el propósito de que, durante su funcionamiento, su influencia recíproca no sea sensible (desde el punto de vista del riesgo o del funcionamiento), pero unidas en un punto único de conexión a tierra. 1.16 INTERRUPTORES Y FUSIBLES Elementos protectores que interrumpen la circulación de las altas corrientes que se producen ante cortocircuitos, con el fin de evitar los daños térmicos en los elementos protegidos. 1.17 MODELO ELECTROGEOMÉTRICO Sistema analítico desarrollado para determinar la efectividad de los apantallamientos. En él se pretende que los objetos a ser protegidos sean



menos atractivos a los rayos que los elementos apantalladores; esto se logra determinado la llamada “distancia de descarga” del rayo a un objeto.

Figura 1. Modelo Electrogeométrico

La distancia de descarga determina la posición de la estructura apantalladora con respecto al objeto que se quiere proteger, tomando en cuenta la altura de cada uno respecto a la tierra. Todos los procedimientos modernos para diseñar el apantallamiento de instalaciones se basan en el modelo electrogeométrico, y en los últimos años han sido diseñados métodos para medir el riesgo de falla en un sistema, usando como parámetros el área de la instalación y el nivel ceráunico. En la práctica, para determinar gráficamente la altura mínima de los dispositivos de protección, se trazan arcos de circunferencia con radio igual a la distancia de descarga, entre los objetos a ser protegidos y los protectores, de tal forma que los arcos sean tangentes a la tierra y a los objetos o tangentes entre objetos; cualquier equipo por debajo de los arcos estará protegido por él o los objetos que conformen el arco, y cualquier objeto que sea tocado por el arco estará expuesto a descargas directas.



Figura 2. Arcos de protección

Otra forma de visualizar este concepto consiste en imaginar un balón (concepto de esfera rodante) de radio igual a la distancia de descarga, rodando sobre la superficie de la instalación y sobre los objetos de la misma. Todos los equipos que logre tocar el balón serán susceptibles a descargas directas. El propósito es que los únicos objetos que toque el balón sean los dispositivos apantalladores. Para el caso de la Figura 3, el objeto B estará protegido debido a que se encuentra por debajo del arco a’-b’, tangente al mástil y a la tierra. El objeto A no está protegido puesto que no está por debajo del arco a’-a”, sin embargo un objeto C ubicado como lo muestra la figura 3 estará protegido por el objeto A y el mástil ya que está por debajo del arco a’ – a’’’. En la Figura 3 también se ilustra el concepto de altura inútil, que es la sobre elevación del dispositivo de protección que no incrementa el arco de protección. La altura inútil se da por encima de una altura del dispositivo de protección igual a la distancia de descarga. El modelo electrogeométrico establece entonces que el objeto escogido para que se presente la descarga a tierra, es aquel que ofrece la mínima distancia de descarga.



Figura 3. Zona de protección y apantallamiento.

De acuerdo con lo anterior, se tiene entonces que un grupo de elementos se encuentran apantallados por otros cuando no es posible que los objetos apantallados ofrezcan distancias de descarga menores que los objetos apantalladores. 1.18 POTENCIAL DE TIERRA

Tensión respecto a tierra remota que alcanza cada una de las partes del sistema de puesta a tierra cuando ocurre un flujo de corriente del sistema, a la tierra física en la que está embebida. En el caso de fallas a 60 Hz este potencial se conoce como incremento del potencial de tierra (GPR). 1.19 PUESTA A TIERRA Conjunto de partes metálicas sumergidas en la tierra e interconectadas por conductores metálicos.



1.20 RECORTADORES Y LIMITADORES DE SOBRETENSIONES Elementos protectores que presentan baja impedancia ante picos de tensión que superen su tensión de limitación o de corte, evitando que se cause deterioro en el equipo a proteger. También llamado protector cuyo propósito es reducir a límites aceptables los riesgos a los cuales se someten los equipos durante condiciones de falla. La característica principal de los protectores, es la de presentar una impedancia distinta durante condiciones normales de operación de la que presenta en condiciones de falla. (Ver Anexo A–Fotografías 1,7,8 y 9) 1.21 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA Resistencia entre la instalación de puesta a tierra y la tierra remota, medida como la relación V/I cuando se inyecta una corriente I a la puesta a tierra. La resistencia de puesta a tierra de una jabalina o varilla está compuesta fundamentalmente por la suma de tres componentes, como muestra la figura 4:

R1 = resistencia propia de la jabalina R2 = resistencia de contacto de la varilla con el terreno, afectada por oxidación, grasitud, pintura, o cualquier capa aislante. Debe estar firmemente enterrada. R3 = resistencia del paraboloide de tierra formado alrededor del electrodo, dependiente del material del suelo. Esta particularidad del material del suelo es lo que denominamos resistividad específica del terreno.



Figura 4. Resistencia de una jabalina o electrodo

Figura 5. Resistencia de una varilla o electrodo

Siendo ρa la resistividad del terreno.

1.22 RESISTIVIDAD Parámetro físico que indica el grado de oposición que presenta un material al paso de la corriente eléctrica. Matemáticamente la resistividad está definida como el campo eléctrico dividido por la densidad de corriente, y sus unidades son Ω-m. Es la Resistencia Eléctrica entre las dos caras de un cubo ideal de terreno en estudio, de 1 m de arista, como muestra la figura 6:



Figura 6. Resistividad del terreno

HHaayy qquuee tteenneerr eenn ccuueennttaa qquuee llooss ssuueellooss ssee ppuueeddeenn ccllaassiiffiiccaarr ccoommoo mmaass ccoonndduuccttiivvooss oo ppeerrmmiissiivvooss,, llooss rreessiissttiivvooss yy aaqquueellllooss mmááss rreessiissttiivvooss.. PPooddeemmooss vveerr ssuuss vvaalloorreess eenn llaa ttaabbllaa 11..

Tabla 1. Resistividad en tipos de suelo



1.23 TRANSITORIOS – TRANSIENTES Los sobrevoltajes transitorios pueden definirse como un cambio súbito de corta duración en la señal de voltaje, medido entre dos o más conductores. El término de corta duración se refiere a términos de nanosegundos hasta milisegundos. Los sobrevoltajes transitorio caen dentro de la categoría de los transitorios electromagnéticos y pueden tener su origen en fenómenos como los rayos o en las maniobras de un equipo. 1.24 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE TIERRA Conjunto de conductores que enlazan al colector de tierra y las distintas partes que han de ponerse a tierra. 1.25 TENSIÓN DE FRENTE DE ONDA Tensión por encima de la tensión de limitación o de corte en un protector de sobretensión cuando son aplicadas ondas de corriente con tiempo virtual de frente menor que 8 µs. Puede expresarse como un porcentaje de la tensión de limitación para una onda de 8 x 20 µs. Generalmente para las pruebas se usan ondas de 4 x 10 µs. 1.26 TENSIÓN DE LIMITACIÓN O DE CORTE Tensión pico a través del recortador o limitador de picos medida bajo condiciones de un pulso de corriente con valor pico y forma especificados, generalmente 8 x 20 µs. Por encima de esta tensión el elemento de protección contra sobretensiones cambia su impedancia reduciéndola, con el fin de evitar que continúe creciendo. 1.27 TENSIÓN DE PASO Tensión que aparece entre los pies de una persona, separados 1 m de longitud, cuando se encuentra parada en la superficie de un terreno con diferencias de potencial.



Figura 7. Tensión de paso

1.28 TENSIÓN DE TOQUE Tensión que aparece durante una falla o descarga eléctrica entre las manos y pies de una persona cuando toca un objeto, conectado al sistema de puesta a tierra.

Figura 8. Tensión de contacto



1.29 TIEMPO DE RESPUESTA Tiempo transcurrido entre el momento en el cual la onda excede la tensión de limitación y el momento en que ésta es recortada. 1.30 TIERRA DE REFERENCIA Puesta a tierra que es usada como referencia ó “cero voltios” para los circuitos que la requieran. 1.31 TIERRA DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS La función específica de este sistema es drenar la energía del rayo a tierra, en forma controlada, por medio de un pararrayos, un conductor bajante y un electrodo de tierra separado. A primera vista, parece ilógico que el código exija la interconexión de los dos sistemas, el del edificio y el de protección contra rayos. Por un lado, se quiere drenar la corriente del rayo a tierra y el código nos exige que lo conectemos a nuestro sistema del edificio, donde se encuentra ubicado el equipo electrónico. Es decir, estamos trayendo parte de la energía del rayo a nuestra instalación eléctrica. Sin embargo, la razón de esta regla es lógica. No se debe olvidar que la razón primordial del Código es la seguridad del personal y que el buen funcionamiento del equipo es secundario para el Código. (Anexo A-Fotografías 2 y 3) A estos niveles, si los sistemas de tierra, el del edificio y el de protección contra rayos, no estuvieran interconectados, existiría una diferencia de potencial, y se produciría el salto del arco o chispa, que podría causar graves daños y aún la muerte de las personas.



Figura 9. Conexión al SPT de la protección contra rayos.

1.32 TIERRA FÍSICA También llamado sistema del electrodo de tierra, el cual cubre el sistema de electrodo de tierra y todas las conexiones hechas para realizar un sistema de puesta a tierra efectiva, por tanto es la conexión física de un sistema a un electrodo bajo tierra. La tierra física puede consistir en una varilla, tubería u otro electrodo aprobado por norma y debe tener un contacto directo con la tierra

Varilla pararrayos

Equipo deservicio

Electrodo de tierradel sistema de proteccioncontra rayos



Figura 10. Tierra física.

1.33 TIERRA REMOTA Cero voltios verdaderos, teóricamente ubicados a una distancia infinita, pero en la práctica tomados a algunos cientos de metros de una puesta a tierra.

1.34 JAULA DE FARADAY Cuando es imposible reducir la resistencia de puesta a tierra por debajo de 30 Ω en terrenos donde la resistividad supera los 5000 Ω-m, se hace muy conveniente la implementación de una Jaula de Faraday, aunque para el caso de los edificios de las estaciones en el cerro de Manjui se recomienda el diseño de estas en cada uno. Esta Jaula se calcula para que las interferencias externas se controlen para frecuencias de interferencia menores a las del cálculo. La separación de cuadrículas se calcula como:



20λ

=S

donde λ es la longitud de onda de la perturbación. En el caso de las descargas atmosféricas, las frecuencias asociadas con el fenómeno involucran frecuencias normalmente inferiores a 1.5 MHz por lo que la longitud de la cuadrícula sería como máximo de 10 m. Esto hace que baste construir dos anillos de tierra en la sala de equipos, uno superior a unos 20 cm de la loza del techo y uno inferior a unos 20 cm del piso, cerrados e interconectados con cable en las cuatro esquinas de la sala conformando un cubo, para obtener una Jaula de Faraday muy eficiente. Esta Jaula se conectaría a la malla de tierra o al anillo exterior según sea el caso en las cuatro esquinas del piso. Se construiría con cable de cobre desnudo (o aislado aunque el grupo de trabajo no lo recomienda debido a su costo y a que puede limitar las corrientes de fuga durante una falla a la hora de llevarlas a tierra) No. 1/0 AWG procurando que todas las uniones sean soldadas con soldadura exotérmica o hechas con conector de compresión. La Jaula de Faraday ayuda también a equipotencializar la sala, controlando flameos internos entre tableros o equipos.



2. SISTEMAS DE PROTECCIÓN EXTERNA CONTRA RAYOS

En el diseño del Sistema de Protección Externo SPE se deben considerar los efectos eléctricos y mecánicos de una descarga, así como también la compatibilidad electroquímica y electromagnética con el medio. En general éste se ha tratado como un arreglo electro-geométrico de elementos encargados de recibir (Terminales de Captación), transportar (bajantes) y evacuar (electrodos de puesta a tierra) la gran cantidad de energía liberada por un rayo. 2.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Una de las principales causas de perturbación en las instalaciones de potencia y en sistemas de comunicaciones en donde existan líneas aéreas, lo cons-tituyen las descargas atmosféricas o rayos. Es ciertamente improbable que la descarga afecte directamente a un sistema electrónico, pero es bastante más probable que éste reciba sus efectos a través de las perturbaciones conducidas a través de la red de alimentación, o cables de comunicaciones aéreos o incluso por la inducción en cables enterrados si la descarga se produce en sus proximidades. 2.1.1 Características de las descargas atmosféricas: Se estima que en nuestro planeta existen simultáneamente unas 2.000 tormentas y que cerca de 100 rayos descargan sobre la Tierra cada segundo. En total ello representa unas 4.000 tormentas diarias y unos 9 millones de descargas atmosféricas cada día. Las descargas atmosféricas son impredecibles. Los rayos pueden descargar en exceso intensidades de 200 kA (ocasionalmente 500 kA), La energía media disipada por unidad de longitud del canal de descarga formado por un simple rayo es de 10 J/m, equivalente a unos 100 kg de dinamita.



No es factible ni rentable proteger un circuito de un rayo directo con esta energía. En cambio, sí es factible la protección de circuitos contra los efectos del 95 % de las descargas y contra sus efectos secundarios, que se estima debe aguantar tensiones de más de 5 kV y corrientes de unos 6 kA. Aunque los rayos pueden tener muchas formas de onda, la curva característica de la corriente de un rayo es:

Figura 11. Curva representativa de una descarga atmosférica (8/20 µ s)

2.2 COMPONENTES DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN EXTERNO Una instalación de pararrayos se compone de una línea de captación, o terminal aéreo, de unas líneas bajantes o derivadores y una red densa de toma de tierra y, en su defecto, puntas de profundidad de 9 metros como mínimo en cada derivador, de manera que el rayo pueda derivarse al subsuelo sin problemas.



Los pararrayos son la forma más conocida de protección primaria contra rayos y son utilizados en edificios rurales, torres de telecomunicaciones y lugares donde la protección es obligatoria, tales como tanques de almacenamiento de combustibles y almacenes de explosivos. La dirección del rayo no está influenciada por los objetos de la tierra hasta que no alcanza una distancia de unos 10 a 100 m del objeto. El pararrayos propor-ciona un circuito de menor resistencia y así se establece el segmento final del camino de descarga de nube a tierra. (Anexo A-Fotografías 4 y 5) También es necesario utilizar dispositivos de protección contra los sobrevoltajes transitorios producidos por los rayos, para la protección de conductores y los equipos conectados a estos. Asimismo, se pueden usar las piezas metálicas de estructuras como parte del sistema de protección, como ocurre en una torre de comunicaciones. Es importante destacar que una baja resistividad del suelo es deseable pero no esencial. Si compararnos un sistema en suelo de arcilla con baja resistividad y el otro en suelo rocoso, podemos establecer que en los dos hay un buen sistema. Para el primero, un esquema simple proporciona los medios para co-lectar y disipar la energía del rayo. Para el sistema en suelo rocoso el método más práctico es colocar una red de conductores extendidos sobre la roca, alrededor del edificio, y conectados al conductor bajante. Este sistema produce los mismos resultados que el primero, pues también se encuentra sobre suelo conductivo. Un tema que es importante nombrar es el grave problema de los sobrevoltajes en las líneas de telecomunicaciones, pues las líneas aéreas están expuestas directamente a las influencias de las descargas atmosféricas. Los sistemas de protección contra los rayos más utilizados están clasificados así:

1. Sistema de conducción 2. Sistema de atracción 3. Sistema de disipación



De los tres sistemas, el único aprobado por los tres grupos mencionados es el de atracción y conducción, también llamados la BARRA DE FRANKLIN y JAULA DE FARADAY respectivamente; el último facilita la supresión de sobrevoltajes transitorios. A menudo se instalan supresores de picos o de sobrevoltajes transitorios separadamente además de los sistemas de protección para las descargas atmosféricas para proteger a los equipos electrónicos sensibles contra sobretensiones respectivamente. Los sistemas de conducción y atracción tratan de atraer la descarga del rayo. Para lograrlo proveen una trayectoria de descarga de baja impedancia a tierra que mantienen lejos la estructura que protegen. El sistema de conducción usa varillas de pararrayos y el de atracción emplea un isótopo radiactivo o un iniciador iónico para atraer el rayo. 2.2.1 Materiales para el SPE: El criterio empleado para la selección de los materiales de los componentes del SPE es: • Alta resistencia a la fusión y deterioro de las uniones bajo las condiciones que implican la energía del Rayo tanto en magnitud como en duración, a la que pueden estar sometidos. • Alto grado de robustez mecánica, especialmente de aquellos componentes que se van a encontrar en localidades expuestas a daño físico. • Alta conductividad eléctrica, de tal forma que no contribuya sustancialmente a daños locales por altas diferencias de potencial eléctrico. • Buena resistencia a la corrosión (Resistencia al desgaste). El grupo de materiales conductores que satisfacen éstos requerimientos, lo forman los metales puros y sus aleaciones. El Cobre es el material conductor más usado a causa de su alta conductividad eléctrica, plasticidad y resistencia a la corrosión, además, actualmente su relación beneficio-costo es la más favorable. En el aire, los conductores de Cobre se oxidan lentamente recubriéndose con una fina capa de óxido de Cobre (CuO). La capa de óxido formada previene al Cobre de ulteriores oxidaciones.



2.3 NIVELES DE PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS DE LOS RAYOS Se puede establecer una clasificación de tres niveles de protección contra los efectos de los rayos, tanto directos como indirectos: Nivel primario: está constituido por los sistemas de pararrayos, terminales aéreos y tomas de tierra. Nivel secundario: sería el necesario a nivel de equipo o sistema. Nivel terciario: sería a nivel de tarjeta de circuito impreso y componente electrónico, llamándose también protección fina.

Figura 12. Algunos tipos de protección primaria y uno secundaria

(1) Sistema de captación de rayos (pararrayos) en forma de malla de 16 x 16 m (CEI) a 10 x 20 como máximo (VDE) y conductor de bajada a una distancia de 25 m (CEI) a 20 m (VDE) como máximo.

V = R suelo x 20 kA = 100 kV con R suelo = 5 Ω



La tendencia actual es a tener mallas de 10 x 10 m. (2) Protección con descargadores conectados directamente a una buena toma de tierra de la entrada de una línea de alta tensión.(Ver Anexo A-Fotografía 11) (3) El término “cono de protección” se usa frecuentemente para describir el volumen interno de protección alcanzado por el pararrayos. (4) Debido a que la torre de las antenas supone la principal diana o blanco del rayo, conviene canalizar la máxima corriente del rayo a tierra en la base de la torre. (5) En el caso de querer proteger un repetidor de radio o TV se debe disponer un anillo de cable enterrado de mínimo 10 mm de diámetro alrededor del edificio, suplementado con picas clavadas en tierra. (6) Protección del edificio donde se sitúa el repetidor con enmallado subterráneo suplementado con picas y terminales aéreos siguiendo las normas de distancia del punto (1). (7) Los pararrayos (terminales aéreos) deben situarse a una distancia de máximo 7 metros entre sí, si se desea formar una protección más amplia. (8) Cuando se desea la protección de grandes áreas, zonas residenciales o edificios, o cuando la altura del pararrayos requerido no es práctica, se pueden instalar varios pararrayos para proporcionar una superposición de los volúmenes protegidos. Si alrededor de un edificio se disponen barras y líneas de captación, o bien mallas, su interior se convierte en una zona de protección donde la caída directa de un rayo es poco probable. Sin embargo, en estas zonas protegidas pueden introducirse campos electromagnéticos generados por la corriente de descarga a través del pararrayos y la toma de tierra, que pueden provocar averías. Esto lleva a la necesidad de la protección secundaria con limitadores conectados a una buena toma de tierra para reducir las sobretensiones que puedan entrar en el área protegida, siendo las formas más usuales de entrada la acometida de energía eléctrica o la entrada de líneas de comunicaciones (teléfonos, datos, etc.). Figura 12 punto (2): Es necesario proteger con limitadores de sobretensión las líneas aéreas de alta tensión, en la entrada de las estaciones transformadoras, debido a que estas líneas son susceptibles de propagar sobretensiones debidas a caídas lejanas de rayos. Lo mismo se puede decir de cualquier línea aérea (teléfonos, telégrafos, etc.).



Diversas normas técnicas establecen distintos valores para la relación de seguridad entre la altura del pararrayos y el radio de la base del cono, pero se admite que el valor mínimo necesario para una protección absoluta es 1:1. A veces se puede llegar a 1:3. Debe considerarse el gradiente de potencial en la superficie de tierra debido a la gran acumulación de carga que sigue a la caída directa de un rayo. En el caso de querer proteger un repetidor de radio o TV se debe disponer un anillo de cable de 10 mm de diámetro como mínimo enterrado alrededor del edificio, suplementado con puntas (electrodos) clavadas en tierra. Ello constituye una buena toma (malla) de tierra y reduce los potenciales bajo el suelo del edificio, figura 12 punto (5). Figura 12 punto (6): La protección del edificio donde se sitúa el repetidor se realiza con un enmallado subterráneo suplementado con puntas (electrodos) y terminales aéreos siguiendo las normas de distancias del punto (1) de la misma figura 12. Figura 12 punto (7): Los terminales aéreos deben situarse a una distancia de máximo 7 metros entre sí. Cuando se desea la protección de grandes áreas, zonas residenciales o edificios, o cuando la altura del pararrayos requerido no es práctica, se pueden instalar varios pararrayos para proporcionar una superposición de los volúmenes protegidos como el punto (8) de la figura 12. Las líneas de transmisión también pueden protegerse con un cable dispuesto por encima entre dos pararrayos o por varios terminales aéreos de protección dispuestos en hilera a lo largo de la línea. Los rayos pueden caer sobre un equipo de varias formas. El caso más espectacular, pero un tanto improbable, se produce cuando un rayo alcanza directamente a un conductor y penetra con toda su energía en un equipo. Sin embargo, esto raramente ocurre en la práctica porque la longitud de un cable de incluso unos metros representa una impedancia demasiado alta para la corriente del rayo y entonces busca un camino a tierra con una impedancia más baja.



Los acoplamientos por conducción a través de las resistencias de tierra y las impedancias del cable, así como el acoplamiento magnético y capacitivo son los más significativos. La caída de tensión a través de la resistencia de tierra del conductor del rayo puede tener ‘valores de 100 kV y parte de esta tensión también aparece en los cables externos y sus alrededores, lo cual lleva a la ruptura dieléctrica (efluvios), implicando que la entrada de señal del equipo a proteger estará en peligro, aunque el rayo no haya caído directamente en la línea de señal. Si un cable pasa del exterior al interior de un recinto protegido (se llaman agujeros Faraday), pueden propagarse sobretensiones sobre el blindaje del cable, acopladas a consecuencia de los efectos de la caída directa.

Figura 13. Entrada de Cables a una Jaula de Faraday

Estas tensiones perturbadoras tienen que limitarse a un valor no peligroso con la ayuda de componentes limitadores de sobretensiones (nivel secundario). Los cables de señal dispuestos en la vecindad de estaciones transformadoras e instalaciones de ferrocarril deben disponerse dentro de guías metálicas con el apropiado aislamiento de forma que, en caso de descarga o de contacto con líneas de alta tensión, la alta corriente resultante circule por dichas guías.



La siguiente figura muestra la protección primaria y secundaria detallada de un edificio contra rayos según las normas CEI 81.1 y DIN VDE 0185. Un edificio con estructura metálica debidamente conectada a tierra proporciona un gran número de caminos de baja impedancia a tierra para las corrientes provenientes de las descargas atmosféricas y, por ello, protege el volumen incluido por la estructura.

Figura 14. Protección primaria detallada de un edificio contra rayos.

En el caso de antenas que penetran en su interior, se requiere la misma protección que se toma en el caso de antenas terrestres. 2.4 DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES La especificación describe el desempeño técnico y los requerimientos físicos de cada uno de los componentes. Aunque los requerimientos funcionales de



los componentes del SPE varían un poco dependiendo de cada aplicación (diferentes niveles de riesgo, nivel de protección), la gran variedad de productos disponibles que utilizan diferentes tecnologías proveen esencialmente el mismo grado de protección1.

Tabla 2: Dimensiones Mínimas para Terminales de Captación.

TERMINALES DE CAPTACIÓN

Material L min. (cm) D min. (mm) A min. (mm2) Cu 18,6 9,6 72,9 Al 17,3 12,4 121

Bronce 49 6,8 36,6 Acero 28,7 4,6 16,4

Cu (tubular) 18,6 11,5 (1,95)* 32,4

Tabla 3. Dimensiones Mínimas para Bajantes

BAJANTES Metal Dimensiones

Cu – Sólido D min.: 12,9 mm Al – Sólido D min.: 16,54 mm Cu – Cable A min. : 18,78 mm2 (4 AWG) Al – Cable A min : 30,8 mm2 (2 AWG)

Tabla 4. Dimensiones Mínimas de Electrodos de Puesta a Tierra.

ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Material L min. (m) D min. (mm) Cu – Sólido 12,9

Cu – Electrodepositado2 13,8 Acero inoxidable

2,4 16,7

1 El estado del arte actual dice que ninguna tecnología reciente de Terminales de Captación es

más o menos efectiva que los tipo Franklin.

* Espesor de la pared. 2 Espesor mínimo del recubrimiento: 1 ,2mm.



Donde, L es longitud, D Diámetro y A sección transversal de un conductor cilíndrico macizo (alambre) o en hilos (cable), correspondientemente. 2.4.1 Especificaciones para un sistema de protección externo contra rayos: Para el diseño de un sistema de protección contra rayos, se consideran dos tipos de sistemas, los cuales dependen de la altura de la estructura. Es así como se consideran los materiales de clase I (estructuras que no exceden de 23 m) y los de clase II (estructuras que exceden los 23 m de altura). Los materiales utilizados deben ser resistentes a la corrosión o protegidos adecuadamente contra ésta. Los materiales aceptados incluyen el cobre y aleaciones de cobre y aluminio. La siguiente tabla indica los requisitos mínimos de protección contra rayos para materiales de clase I.

Tabla 5. Requisitos mínimos para materiales de clase I

COBRE ALUMINIO Tipo de conductor Estándar Estándar Métrico Estándar Métrico

Antena Pararrayos Sólido Antena Pararrayos Tubular

Conductor de bajada Conductor de unión

Diámetro Diámetro Multifilar Multifilar

3/8” 5/8”

AWG # 2 AWG # 6

9,5 mm2 15,9 mm2 29 mm2

13,3 mm2

½” 5/8”

98,6 Kcm AWG # 4

12,7 mm2 15,9 mm2 50 mm2

21,15 mm2 La siguiente tabla indica los requisitos mínimos establecidos de protección contra rayos para materiales de clase II.

Tabla 6. Requisitos mínimos para materiales de clase II

COBRE ALUMINIO Tipo de conductor

Estándar Estándar Métrico Estándar Métrico Antena Pararrayos Sólido

Antena Pararrayos Tubular Conductor de bajada Conductor de unión

Diámetro Multifilar Multifilar

Sólido

½” AWG # 15 AWG # 17

½”

12,7 mm2

12,7 mm2

5/8” AWG # 13 AWG # 14

½”

15,9 mm2

12,7 mm2 2.5 RECOMENDACIONES Algunas recomendaciones adicionales de instalación y mantenimiento, se relacionan a continuación:



• No hacer bucles, ni dobleces del conductor bajante con un ángulo menor que 90 grados

• Los radios de curvatura de los conductores bajante deberían ser mayores

que 20 cm. • Las uniones en los terminales o derivaciones se deben hacer

preferiblemente con soldadura exotérmica. • Utilizar conectores que protejan la unión contra la humedad del ambiente. • Gracias a la mayor estabilidad termodinámica del Cobre frente al Aluminio

se recomienda utilizar preferiblemente conductores de Cobre como bajantes.

• En el caso de bajantes desnudas embebidas en el concreto no se

recomienda utilizar Aluminio ya que este puede atentar contra la integridad del concreto.

• Como no se pueden establecer conexiones conductoras con las líneas

eléctricas de tensión, se recomienda el montaje, en los puntos apropiados, de dispositivos de protección contra las sobretensiones (descargadores).

• Los descargadores de sobretensión deben estar dimensionados para

soportar una parte no despreciable (de hasta el 50% en el peor caso) de la corriente del rayo que podría impactar al SPE.

• Se considera necesario realizar una inspección visual para asegurar que

ninguna extensión o modificación sobre la estructura protegida domine sobre la instalación del SPE, la continuidad eléctrica de los conductores sea buena, la fijación de los diferentes componentes y protecciones mecánicas estén en buen estado, ningún elemento del SPE se encuentra afectado por la corrosión, las distancias de seguridad sean respetadas y las uniones equipotenciales sean suficientes y estén en buen estado.

• Se deben realizar medidas para verificar la continuidad eléctrica de los

conductores no visibles y la resistencia de las tomas de Tierra (se debe analizar toda evolución).



• Por evidencia práctica se sabe que aislando las superficies metálicas susceptibles a la corrosión, reenrutando si es posible los metales enterrados y aplicando aislantes en las partes más próximas, ó preferiblemente usando materiales no metálicos en la infraestructura enterrada (tuberías, canaletas, etcétera), se puede evitar la corrosión, sin embargo, en algunos casos esto no es suficiente o no es posible, de tal forma que debemos aplicar los principios básicos de la electroquímica para defendernos contra la corrosión.



3. SISTEMA ELECTRODO DE TIERRA 3.1 TEORÍA DE CONEXIÓN A TIERRA

El electrodo de tierra de una instalación eléctrica es el medio por el cual los electrones entran a la tierra. Por tanto, es la instalación de una terminal para facilitar la entrada de los electrones a la tierra. El objetivo principal del sistema de conexión a tierra es el control de corrientes indeseables, corrientes de falla, corrientes que generan las descargas electrostáticas, corrientes de ruido de alta frecuencia y corrientes de fuga. El sistema a tierra debe controlar las corrientes para brindar la seguridad al personal y salvaguardar la integridad del sistema. Por otra parte, las corrientes de ruido sin control pueden causar el mal funcionamiento de los equipos, una degradación gradual y la destrucción de los componentes electrónicos, lo mismo que la pérdida de memoria en los equipos computarizados.

3.1.1 Componentes del sistema electrodo de tierra: Si existe mas de un sistema de electrodos en la estructura de un edificio, éstos deben unirse conjuntamente para formar el sistema de electrodo de tierra, el cual puede consistir en:

a) Tubería metálica de agua, instalada bajo tierra, con continuidad

eléctrica, en contacto directo con la tierra en una longitud mínima de 3.05 metros.

En caso de que un medidor u otro herraje comprometan la continuidad se puede hacer eléctricamente continua uniendo las secciones de la tubería con un puente de unión: de este modo, se efectúa la conexión al conductor del electrodo de tierra.



Figura 15. Tubería conectada al anillo de tierra

b) Estructura metálica del edificio. La estructura o armazón metálica del edificio puede utilizarse como electrodo de tierra cuando se conecta a tierra en forma efectiva.

Usualmente si la estructura metálica del edificio tiene un contacto directo con la tierra en un suelo homogéneo, se considera conectado a tierra en forma efectiva. Sin embargo, hay que tener en cuenta que en muchos casos, especialmente para evitar los efectos de los cambios de clima, los cimientos del edificio se encuentran sobre capas de arena y materiales plásticos usados como barreras de vapor, por lo tanto, ya que la arena y los plásticos son materiales no conductores, la estructura del edificio no estaría conectada a tierra en una forma efectiva. La mejor opción es medir la resistencia a tierra de este electrodo.

c) Un electrodo incrustado en concreto. Este electrodo consiste en una o más varillas de una longitud mínima de 6 m en contacto directo con la tierra, y cubierto de 5.8 cm de concreto. Usualmente se ubica dentro y



cerca de la parte inferior de los cimientos o bases que estén en contacto directo con la tierra.

Figura 16. Conexiones al anillo exterior de tierra

d) Un anillo de tierra es un cable de cobre desnudo colocado alrededor del edificio o estructura de una longitud mínima de 6.1 m y de tamaño no menor que calibre AWG número 2. Este cable debe estar en contacto directo con la tierra a una profundidad no menor de 76.2 cm.



Figura 17. Anillos pertenecientes al SPAT integral de una estación de telecomunicaciones

e) Sistemas metálicos subterráneos u otras estructuras enterradas como

sistemas de tuberías o tanques bajo tierra. Las tuberías metálicas subterráneas de gas, no deben usarse como electrodos de tierra.

f) Electrodos de tubos y varillas. Estos, requieren tener longitudes no

menores de 1.8 m de largo y una longitud de contacto mínimo con la tierra de 2.40 m.

Es importante indicar que el aluminio no está permitido para usarse en electrodos de tierra. Los electrodos de varillas de acero o hierro tendrán un diámetro mínimo de 1.59 cm.



Figura 18. Distancia mínima de separación entre electrodos

g) Los electrodos de placa metálica pueden usarse como electrodos de tierra si exponen no menos de 0.186 m2 de superficie al terreno exterior. Los electrodos de placa de hierro o acero, deben tener un espesor mínimo de 6.35 mm. Los electrodos hechos de metales no ferrosos tendrán un espesor mínimo de 1.52 mm.

La conexión al sistema electrodo de tierra debe efectuarse con un proceso exotérmico; por ejemplo, soldaduras que funden a altas temperaturas, soldadura exotérmica, o con una soldadura con aleación no ferrosa a base de calor. También puede usarse una abrazadera de terminal de bloque-perno, o una conexión de compresión irreversible. 3.1.2 Funciones del electrodo de tierra: El sistema electrodo de tierra puede consistir en uno o más electrodos que tienen funciones específicas como partes del sistema. Las funciones del electrodo de tierra son:

1. Mantener un buen contacto con la tierra de tal forma que las partes metálicas de la instalación eléctrica, que no conducen corriente, y que se conectan al sistema de tierra, se mantengan al potencial de tierra o potencial cero.



2. Proporcionar muchas trayectorias a tierra para la gran cantidad de electrones generados por una descarga atmosférica o un sobrevoltaje transitorio, de tal forma que sean disipadas en forma instantáneas

3. Drenar las corrientes de fuga, lo mismo que las descargas

electrostáticas, las cuales pueden generarse o acumularse en las cubiertas metálicas de los equipos.

Una función que muy a menudo se le asigna erróneamente al electrodo de tierra, es la de transportar corriente de falla para facilitar la operación de los dispositivos de protección. Ésta no es una función del electrodo de tierra. La razón por la cual no se usa el electrodo de tierra como trayectoria de la corriente de falla, es la alta impedancia del terreno, la cual no permitiría corriente suficiente para activar el dispositivo de protección, o interruptor de circuito. La función primaria del electrodo de tierra es mantener la tierra y todas las cubiertas o partes metálicas del equipo eléctrico que no transportan corriente, a una referencia cero. Esto puede realizarse por medio de un sistema efectivo a tierra, lo cual significa una atención especial para mantener la continuidad del conductor de tierra del equipo. La unión de todos los electrodos de tierra es importante a fin de mantener el potencial cero. El electrodo de tierra ofrece multitud de trayectorias para los electrones, pero las trayectorias de baja impedancia dependen de la composición del suelo. Es importante, como parte del diseño de una instalación, analizar el tipo de suelo desde el punto de vista de puesta a tierra. La conductividad de la tierra varía con la composición de ésta, por lo tanto un suelo arenoso no tiene tanta conductividad coma un suelo fértil. Adicionalmente, entre más alto sea el contenido de humedad, mejor será su conductividad. El sistema electrodo de tierra, o tierra física, puede ser considerado como un sistema de conductores que proporcionan una trayectoria controlada, para dirigir electrones hacia la tierra. Estos electrones pueden provenir de electricidad estática, corrientes de fuga o descargas atmosféricas.



3.1.3 Resistencia a tierra del electrodo de tierra: La resistencia del electrodo de tierra debe medirse antes de instalar cualquier equipo electrónico.

Figura 19. Método para la medición de la resistencia de un electrodo

En la figura, la varilla 1 representa el electrodo de tierra sometido a prueba. La diferencia de potencial se mide entre las varillas 1 y 2, y el flujo de corriente entre la 1 y la 3. Cuando la varilla 2 se separa 62% de la distancia entre el electrodo bajo prueba y la varilla 3 se obtiene un alto grado de precisión en la medición de resistencia de suelo. La figura también nos muestra como se efectúa la medición, utilizando un ohmetro especial llamado MEGGER (instrumento usado para medir la resistencia del suelo). El MEGGER genera un voltaje y provoca que una corriente circule en la tierra. Cuando el voltaje y la corriente se conoce, el MEGGER calcula la resistencia R = E / I.



Tabla 7. Tabla para seleccionar el calibre del conductor del electrodo de tierra

Área del conductor de mayor

calibre o equivalente para conductores en paralelo

Calibre del conductor del electrodo de tierra

Cobre Al o Al recubierto

Cobre Al o Al recubierto de

cobre Métrico

mm2 AWG Kcmil

Métrico mm2

AWG kcmil

Métrico mm2

AWG kcmil

Métrico mm2

AWG kcmil

Hasta 32,62

2 o menor

Hasta 53,48

1/0 o menor

8,367 8 13,30 6

De 32.62 a 53,48

1 o 1/0

De 53,48 a 85,01

2/0 o 3/0

13,3 6 21,15 4

De 53,48 a 85,01

2/0 – 3/0

De 85,01 a 126,7

4/0 o 250

21,15 4 33,62 2

De 85,01 a 117,3

3 - 350

De 126,7 a 253,4

250 a 500

33,62 2 53,48 1/0

De 117,3 a 304,0

350-600

De 253,4 a 456,0

500 a 900

53,48 1/0 85,01 3/0

De 304,0 a 557,4

600 –1000

De 456,0 a 886,5

900 a 1750

67,43 2/0 107,2 4/0

Más de 557,4

Mayor de 1000

Mas de 886,5

Mayor de 1750

85,01 3/0 126,7 250

3.2 EFECTOS DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO

La resistencia a tierra de los electrodos de tierra depende no solamente de la profundidad y el área de superficie de éstos, sino también de la resistividad del suelo. En teoría, la resistencia del suelo puede derivarse de la siguiente fórmula:



Resistencia = Resistividad * Longitud / área

La resistividad del suelo determina cuál será la resistencia de un electrodo de tierra y a qué profundidad debe enterrarse para obtener una conexión aceptable. La resistividad del suelo varía con las estaciones del año e influyen la temperatura, el contenido de humedad, la presencia de minerales y varias sales disueltas, así como la composición del suelo. Debido a que la resistividad del suelo se relaciona con la humedad y la temperatura, la resistencia de cualquier sistema de conexión a tierra varía a lo largo del año. La tierra, en estado completamente seco, puede de hecho convertirse en un buen aislante si no se encuentran electrólitos presentes. La siguiente tabla muestra el cambio significativo en tierra compuesta de arcilla arenosa con un contenido de 15% de humedad y con variaciones de temperaturas entre 20 0C y 15 0C.

Tabla 8. Variaciones de resistividad en un suelo

arcilloso arenoso a diferentes temperaturas

Temperatura

oC oF

Resistividad

Ohm - cm 20 10 0 0 -5

-15

68 50

32 (agua) 32 (hielo)

23 14

7200 9900

13800 30000 79000 130000

Como puede verse, la resistividad cambia de 7200 a 130000 ohm-cm con estos parámetros de temperatura. Debido a que la temperatura y el contenido de humedad son más estables a grandes distancias debajo de la superficie de la tierra, es deseable enterrar una barra a una distancia considerable. En algunos lugares, la resistividad de la tierra puede ser tan alta que una resistencia baja de suelo sólo puede lograrse por medio de sistemas de conexión a tierra bastante elaborados o incrementando periódicamente el contenido de electrólitos del suelo.



El empleo de un tratamiento con sal requiere el uso de varillas a tierra que resistan la corrosión química. Las sales típicas que se utilizan para reducir la resistividad del suelo incluyen: sulfato de cobre y carbonato de sodio. La bentonita, un silicato de aluminio, es bastante conductiva y tiene la propiedad de retener la humedad, por lo que se usa muy a menudo para rellenar el área que rodea la varilla en áreas arenosas o rocosas. 3.3 TÉCNICAS DE CONEXIÓN A TIERRA PARA EL SISTEMA ELECTRODO DE TIERRA.

En lugares donde la medición de la resistencia del suelo es mayor que 1 ohm, 5 ohm ó 25 ohm, es preciso emplear ciertas técnicas para disminuirla. Si se duplica el diámetro del electrodo de tierra la impedancia disminuirá sólo 10% aproximadamente, mientras que si se duplica la longitud de la varilla a tierra la impedancia disminuirá hasta en un 40% Cuando la resistividad del suelo no es lo suficientemente baja, pueden utilizarse varios métodos para mejorarla:

1. El aumento de la longitud del electrodo de tierra.

2. La utilización de varias varillas.

3. El tratamiento del suelo.



4. PRESTACIONES DE LOS ELECTRODOS DE PAT

EN SITIOS DE TELECOMUNICACIONES 4.1 PRINCIPALES PRESTACIONES ELÉCTRICAS La necesidad de canalización y dispersión eficiente de diversos tipos de corrientes eléctricas, especialmente las de gran magnitud, exigen del material y sus conexiones y empalmes (Fig. 20): 4.1.2 Alta Conductividad Eléctrica: Para evitar las caídas de tensión intermedias durante su circulación hacia Tierra. 4.1.3 Alta Conductividad Térmica: Para asegurar una óptima transferencia del calor originado por Efecto Joule, hacia el relleno y el suelo.

Figura 20. Electrodos Básicos de PAT Horizontal y Vertical con

Empalmes tipo Presión y Exotérmica.

Electrodo Vertical

Grapa de Presión

Electrodo Vertical

Empalme Termosoldado

Electrodo Horizontal



4.2 PRINCIPALES PRESTACIONES MECÁNICAS Y FÍSICAS Resistencia a las diversas solicitaciones mecánicas derivadas de su funcionamiento con elevadas corrientes y debido a causas externas (tráfico pesado) o eventuales (sismos). 4.2.1 Alta Resistencia a la Tracción: Para evitar toda fractura accidental que sería indetectable e inubicable. 4.2.2 Mínima Dilatación Lineal: Para evitar la formación cíclica de micro grietas sobre la capa de pasivación superficial. 4.2.3 Mínima Elongación Permanente: Para asegurar la durabilidad de los empalmes y conexiones tanto de presión como soldados. 4.3 AGRESIVIDAD DEL ENTORNO. El entorno de un electrodo de Puesta a Tierra, está constituido por el medio sólido permeable dentro del cual se halla embutido. En la práctica es el material con el que se rellenan las excavaciones de instalación en el suelo natural (Fig. 21); de ese modo existen dos interfases de conducción eléctrica, Electrodo – Relleno donde además se produce la disolución del metal, y Relleno – Suelo Natural, que también constituye una frontera de interacción Electrolítica y pérdida de humedad.

Figura 21.- Instalaciones de Puesta a Tierra Puntuales (Electrodo, Relleno, Suelo)

l

ρ

ρ ρ

Hρ

h



4.3.1 Los Rellenos: Generalmente están conformados por mezclas a partir de una matriz de tierra fina (arcillas, limos) con agregados estables o productos químicos activos que incentivan la conducción eléctrica (exigible < 5 Ohm – m) y la retención de humedad (exigible > 7 % en peso); presentan características cuya neutralidad respecto del Electrodo depende de la dosificación de los elementos activos presentes y del método de aplicación; no obstante, la duración de sus cualidades resultantes generalmente se amortigua gradualmente hasta desaparecer por diferentes causas (agotamiento, saturación, pérdida de humedad, etc.). 4.3.2 Suelo Natural: Normalmente sus características provienen de la ubicación geográfica, la formación geológica, la topografía y el clima del sitio, sus cualidades conductivas dependen básicamente del porcentaje de sales solubles que detentan (entre 0,01% y 2,0 %) y de su contenido de humedad (entre 0,5% y 15 % promedio). En consecuencia su comportamiento no presenta neutralidad, puede variar generalmente hacia el lado Alcalino pudiendo sobrepasar un (pH > 8), pocas veces se inclinan hacia el lado Ácido, generalmente solo por efectos de contaminación. 4.3.3 Suelo arenoso o pedregoso: En un suelo arenoso o pedregoso, se deben enterrar dos o más varillas de tierra, con un espacio entre varillas no menor de 3 m. Estas varillas deben encajar verticalmente a una profundidad mínima de 3 m. Estas varillas deben ser de cobre, de acero revestido de cobre o de acero inoxidable, de 2,4 m de longitud y 5,8 cm de diámetro. Generalmente este sistema de electrodo de tierra provee baja resistencia para la protección estructural, del personal y del sistema eléctrico. Si al hacer la medición de resistencia del suelo no se obtiene el valor deseado, se deben añadir más varillas hasta que se logre el valor deseado. En suelos de mayor resistencia será necesario utilizar otros esquemas de electrodo de tierra, tales como anillo de tierra, o radiales en caso de suelo rocoso.



4.3.4 Suelo rocoso: En lugares donde se encuentra la roca cerca de la superficie del suelo es necesario excavar y extender conductores en forma radial, estas zanjas no deben ser menores de 3.7 m de longitud y de 30 cm a 60 cm de profundidad. Si el suelo es pedregoso y arenoso la zanja no puede ser menor de 7.5 m de longitud y 60 cm de profundidad, si estos métodos no son aplicables y la superficie del suelo es roca, se permite extender el cable sobre la roca pero éste debe unirse a una placa de cobre de 0.8 mm de espesor como mínimo y con un área de superficie de 0.18 m2. Los electrodos que se encuentran encajados en concreto sólo deben utilizarse en nuevas construcciones. Este electrodo debe ubicarse cerca de los cimientos del edificio y estar encajado en 50.8 mm de concreto, y deben cumplir las siguientes características: • Ser de cobre desnudo • Deben tener una longitud mínima de 6.1 m. • Pueden estar constituido de una o más barras de refuerzo con una longitud

mínima de 6.1 m y 12.7 mm de diámetro unidas éstas por medio de soldadura o una sobre otra para formar 20 diámetros uniéndolas con alambre.



5. PUESTA A TIERRA DE SITIOS DE TELECOMUNICACIONES

5.1 PUNTO ÚNICO DE CONEXIÓN A TIERRA El método recomendado para realizar una puesta a tierra efectiva en un sitio de telecomunicaciones es la utilización del concepto de “punto único de conexión a tierra”, que se ha convertido en el estándar de la industria de las telecomunicaciones para poner a tierra su equipo digital. Durante los disturbios eléctricos los potenciales pueden variar en diferentes puntos del sistema. Si el equipo de conmutación u otro equipo sensible se conectan en varios puntos a lo largo del sistema a tierra es probable que se presenten diferencias de potencial entre los equipos. Cuando estos voltajes producen un flujo de corriente en los cables de señales y a través de los circuitos digitales sensibles pueden ocurrir daños. La unión de todo el equipo del sitio en un solo punto minimizará estos potenciales peligrosos. El sistema punto único de conexión a tierra se logra conectando todos lo elementos de tierra en un punto común, lo cual se conoce como barra principal de tierra. Es importante tener presente que, siempre que sea posible, los procedimientos de diseño y operación deben coincidir con los requerimientos del Código y las normas eléctricas de cada localidad, que por lo general cumplen o exceden los requisitos del Código. Este capítulo especifica los requisitos que debe cubrir la protección del personal y del equipo que está energizado mediante rectificadores, bancos de baterías, inversores y generadores de dc. Las centrales telefónicas, los sistemas remotos digitales de comunicación y las instalaciones celulares forman parte de esta categoría. Los sistemas de conexión de tierra de un solo punto minimizan los efectos de las perturbaciones eléctricas, que de lo contrario podrían causar daños a los equipos digitales de comunicación. Todos los sitios de telecomunicaciones y el equipo electrónico siempre están



relacionados con la tierra por medio del acoplamiento capacitivo, contactos accidentales o conexiones intencionales. Por lo tanto la conexión a tierra debe considerare como un sistema total, con varios subsistemas que forman el sistema de puesta a tierra del lugar. El sistema de tierra en un sitio de telecomunicaciones consta de varios subsistemas, interiores y exteriores. Éstos consisten en ciertos componentes básicos, configurados para lograr los objetivos del sistema de tierra y adaptados a las características de cada instalación. Aunque las configuraciones exactas varían de sitio en sitio, los componentes de un sistema de tierra generalmente son los mismos y siempre se aplican los principios generales de instalación. A continuación se describen las técnicas generales mediante las cuales se implementa una conexión a tierra. 5.1.1 Subsistema exterior de tierra: En sitios con antenas de radio el propósito de la conexión a tierra es proporcionar una trayectoria con la impedancia más baja posible desde las antenas y la torre, a tierra. La tierra de la torre consiste en un anillo de alambre que está enterrado alrededor de la base. La tierra externa del edificio consiste por lo general en un alambre enterrado, usualmente en forma de anillo, que circunda el edificio. El anillo exterior de tierra proporciona la conexión primaria a tierra. Los dos anillos, el de la torre y el del edificio se conectan entre sí y se complementan con varillas de tierra. Todos los blindajes de las líneas de transmisión de RF (radiofrecuencia) y de los equipos de entrada se conectan a tierra como se muestra en la siguiente figura, lo que se estudiará en detalle más adelante.



Figura 22. Anillos de tierra, exterior e interior

5.1.2 Subsistema de tierra interior: Es preciso que el sistema interno tenga una trayectoria de baja impedancia a tierra y que logre una mínima diferencia de potencial entre las estructuras conductoras del sitio, mientras elimina o minimiza cualquier flujo de sobrecorriente a través del equipo. Las conexiones internas se efectúan a una barra de cobre, llamada barra principal de tierra (MGB), que ofrece un punto de baja resistencia para todas las tierras internas. Todo el equipo de RF se conecta directamente a esta barra y a su vez ésta se conecta al anillo externo de tierra, a la conexión de tierra de la línea de alimentación de C.A. y a otras tierras, como la estructura metálica del edificio.(Ver anexo A-Fotografía 15, 16, y 17) Otras barras auxiliares se conectan a la barra principal de tierra y sirven para conectar a tierra cierto grupo de equipos o compartimientos dentro del edificio. Esta configuración de Compartimientos aísla los equipos de sobrevoltajes transitorios mientras que minimiza las diferencias de potencial entre los equipos dentro del grupo.

Anillo de tierrade la torreMinimo 50.8 mmde las bases

Generador

Torre

Poste dela cerca

Anillo de Tierra ExteriorMinimo 60 cm del edificio

Varillas de Tierra

Barra de Tierra ExteriorPuerto de Entrada

Varillas de Tierra

Anillo de tierra Interioro halo

EDIFICIO

Barra de tierraexterior

Barra de tierrainterior

Equipo

Cerca

Varillas de tierra

Anillo de tierra de la torre. Mínimo 50.8 mm de las bases



Las cubiertas de los equipos y los gabinetes deben estar aislados de las trayectorias de tierra no planeadas para evitar flujos de corriente de tierra. Esto se logra al colocar los gabinetes o los equipos sobre un material aislante para mantenerlos separados del piso, que por lo general es de concreto. Un anillo de tierra elevado o un anillo interior llamado halo, se extiende dentro del edificio alrededor del equipo y se instala en la pared y se conecta en partes metálicas no críticas o elementos metálicos inactivos, como los marcos de las puertas. 5.2 PROTECCIÓN CONTRA SOBREVOLTAJES TRANSITORIOS. Todos los conductores que entran al edificio y alimentan cargas críticas, deben protegerse contra sobrevoltajes transitorios. Esta protección se puede hacer con dispositivos protectores de varias tecnologías, por ejemplo: varistores de óxido metálico, diodos de avalancha de silicio o tecnología mixtas. Estos conductores pueden incluir líneas de alimentación, telecomunicaciones y líneas de alumbrado de la torre. Los dispositivos de protección disipan los sobrevoltajes transitorios que circulan en estos conductores. 5.3 DEFINICIONES. Antes de tratar a fondo los sistemas de conexión a tierra para sitios de telecomunicaciones es importante definir los términos empleados y los componentes del sistema de tierra. 5.3.1 Soldadura exotérmica: En este proceso se usa gas o soldadura de arco y una mezcla de polvo de metal con moldes especiales de grafito. El polvo reacciona para producir cobre fundido, el cual fluye alrededor de los metales soldándolos y derritiéndolos ligeramente. El resultado es una unión permanente, de alta calidad, robusta y de baja resistencia. 5.3.2 Barra externa de tierra: La barra externa de tierra (EGB) es una barra de cobre, con orificios taladrados para montar los terminales. Puede estar equipada con una cinta de cobre de 5.8 cm de longitud y de 1.3 mm de espesor, que puede servir como conexión a esta barra, lo cual proporciona un punto de baja resistencia para aterrizar las terminales de los accesorios de



conexión a tierra de las líneas de transmisión en el punto de entrada en el cuarto del equipo. Se ubica directamente debajo de la ventana de entrada de la guía de onda en la parte exterior del cuarto del equipo. (Ver Anexo A-Fotografías 13 y 14) 5.3.3 Campo de tierra de la oficina central: El campo de tierra de la oficina central puede ser cualquier electrodo de tierra aprobado por el Código, o cualquier configuración del sistema de electrodo de tierra, por ejemplo: varillas de cobre enterradas, un anillo de tierra o la combinación de electrodos conectados entre si para formar el sistema electrodo de tierra del sitio. La resistencia a tierra de este campo debe ser igual o menor de 5 ohm. Sin embargo, la industria recomienda una resistencia máxima a tierra de 1 ohm. Como cualquier otro factor de ingeniería aplicada para el diseño de la oficina central, el campo de tierra debe planificarse, diseñarse e instalarse correctamente. Antes de realizar una instalación es necesario determinar ciertos factores como: resistividad de la tierra, área de tierra disponible y profundidad de tierra antes de encontrar rocas, piedras o arena. Generalmente se recomienda enterrar un anillo de tierra al menos a 80 cm de la superficie del suelo, alrededor de las bases del edificio. La aplicación de químicos para tratar el suelo se debería usar solamente en determinados casos, por ejemplo cuando los métodos convencionales de tierra son inadecuados, ya que estos tratamientos químicos son temporales y deben renovarse periódicamente.

Todas las conexiones que se realizan bajo tierra y que están asociadas con el

campo de tierra deben soldarse con métodos exotérmicos. El conductor que se extiende desde el campo de tierra hasta la barra principal de tierra debe ser continuo.

Si el empalme de este cable es inevitable, entonces los empalmes enterrados

deben soldarse exotérmicamente, a menos que lo prohíba la normatividad local. Los conectores de metal deben contar con abrazaderas de presión.



Figura 23. Barra exterior de tierra unida al anillo exterior de tierra

Las torres de radio y los sistemas de protección contra rayos, ya sea el sistema de atracción/disipación, deben conectarse conjuntamente al sistema de tierra principal. 5.3.4 Barra principal de tierra: La barra principal de tierra (MGB), es el centro de actividad del sistema de tierra de la oficina central. Es el punto de conexión común para los protectores contra sobretensiones transitorios (P) y los absorbedores de carga (A), lo mismo que para la tierra de los equipos de ambas áreas, las no aisladas (N) y las aisladas. La barra MGB es de cobre y está aislada de su soporte y se ubica fuera de la zona de tierra aislada IGZ; sus dimensiones mínimas son 457 mm de largo por

Entrada de líneas de transmisión o líneas similares Ventana de entrada

Herraje de tierra o “ground kit”

Todas las líneas de transmisión individualmente aterrizadas a la barra exterior de tierra utilizando un herraje de tierra

Lámina de cobre 1,59 mm x 50,8 mm x 38,1 cm soldada a la barra exterior de tierra con soldadura exotérmica

Soldadura exotérmica

Anillo exterior de tierra

Barra exterior de tierra



78 mm de anchura y 6.35 mm de espesor. Esta barra se instala por lo general en la pared del sitio, donde puede proporcionar la trayectoria o ruta más directa del conductor de campo de tierra de la oficina central. Todas las terminales a la barra MGB deben conectarse al conductor por medio de conectores del tipo lengüeta con dos pernos, que tengan conexión de compresión o soldadura exotérmica con el conductor.

La configuración de la unión a la barra MGB que muestra la figura 13-4 facilita la concentración y disipación de altas sobrecorrientes que se generan fuera del alambrado de la planta, equipo de radio, etcétera, por medio de las secciones (P) y (A) de la barra. Esta mantiene el mismo potencial de voltaje a través de sus secciones (N) y (L).

Figura 24. Barra principal de tierra

A continuación se describen los componentes de la Barra principal de Tierra mostrados en la figura anterior. - Generadores: Blindaje de cables de teléfonos, marco del generador, etc. Tierra de equipo de radio, etc. - Absorbedores: Conexión T-N del edificio, anillo de tierra exterior, acero del edificio, tubería de agua, etc.



- Tierra de zona aislada: Barra de ventana de tierra.

Figura 25. Conexiones a una Barra principal de tierra

La secuencia de la conexión es muy importante para la efectividad de la protección total y no debe alterarse. En la figura 25 se ilustra los detalles de montaje de una barra principal de tierra. Las antenas de radio y microondas, los blindajes o mallas de cables, los pares trenzados de cables y los conductores de alimentación son ejemplos de productores de sobrevoltajes transitorios. Los absorbedores de este tipo de sobrevoltajes son los elementos de un sistema de tierra de una oficina central que proveen una trayectoria de baja impedancia a tierra. Ejemplos de este tipo son el campo de tierra de la oficina central, la tubería metálica para agua, la tierra de la línea de alimentación de c.a. y la estructura de acero del edificio. El campo de tierra de la oficina principal y las tuberías de agua se consideran absorbedores primarios de sobrevoltajes transitorios debido a su trayectoria de baja impedancia a tierra. La resistencia del conductor que parte desde la barra MGB hasta el campo de tierra de la oficina central no debe rebasar los 0,005 ohm. Este conductor debe ser de calibre 2/0 AWG o mayor. La unión de la tubería de agua de la oficina central es un requisito del Código y éste la califica como absorbedor primario de sobrecargas, esto sucede si la tubería de agua tiene un tubo metálico que esté enterrado un mínimo de 3 m.

Conectores metálicos

Tornillos de cobre o bronce

Conexión exotérmica Aisladores



La tierra de la línea de alimentación de c.a. y la estructura de acero del edificio se consideran como absorbedores secundarios de sobrevoltajes transitorios, ya que son susceptibles a una elevación considerable del potencial de tierra cuando surgen las perturbaciones eléctricas. En este caso, la tierra de la línea de alimentación de c.a. puede invertir su papel y convertirse en un productor de sobrevoltajes transitorios. Los siguientes dispositivos se conectan directamente a la barra principal de tierra: • El anillo exterior de tierra que cuenta con un cable AWG calibre número

2/0 o una cinta o tira de cobre de 5,8 cm. • La tubería metálica para agua.

• La estructura metálica del edificio.

• El sistema de electrodo de tierra.

• La Tierra de la línea de alimentación de c.a. (acometida de la central

eléctrica). Estos mismos conceptos se aplican a cualquier sitio de comunicaciones. Los siguientes componentes generan sobrevoltajes transitorios: las torres de radio de microondas, los blindajes de cables telefónicos, los pares de cables de teléfono y los protectores de sobrevoltajes transitorios que están instalados en el bastidor principal de distribución (MDF) así como las líneas de alimentación. Cualquier objeto que proporcione una trayectoria conductora a las descargas atmosféricas o los sobrevoltajes transitorios debe conectarse a la porción (P) de la barra MGB. La sección “P” de ésta es el punto de conexión para los generadores de sobrevoltaje como: • Tierras de los equipos de microondas y radio, gabinetes y cubiertas. • Barra de tierra para cables de entrada.



• Barra de tierra del bastidor principal de distribución (MDF). • Marco de tierra del generador. • Ventana de entrada de la guía de ondas. • Multiacoplador receptor (RMC). Cada RMC debe tener su conexión a la

barra MGB. • Terminales del protector de teléfonos. • Chasis del generador de emergencia. La sección (N) de la barra MGB es el punto común de referencia a tierra para todo el equipo a tierra no aislado. Las conexiones hechas a la sección (N) previenen diferencias de voltaje entre gabinetes metálicos del equipo y los ubicados fuera de la zona de tierra aislada IGZ. Todas las estructuras del equipo, el hierro de la barra MDF, gabinetes para cables, gabinetes para batería y otras superficies de metales expuestos que podrían energizarse, están unidos a la barra principal de tierra MGB en este punto. La sección (N) también es el punto de referencia de tierra para la planta de alimentación de c.d. de la oficina central de las compañías telefónicas (+48 volts de retorno). Las conexiones típicas a la sección “N” de la barra principal de tierra son: • Bastidores de diversos equipos . • Objetos metálicos. • Barra colectora del retorno de la batería (+). • Gabinetes de baterías. • Bastidores del cuarto de alimentación, los cuales no están aterrizados con

cables verdes. La sección (I) de la barra MGB es el punto principal de conexión para las



tierras IGZ. Esta conexión típicamente tiene la menor variación de voltaje de las secciones de la barra; por consiguiente, las conexiones de la barra de ventana a tierra GWB se realizan en esta sección. 5.3.5 Zona de tierra aislada (IGZ): La zona de tierra aislada es el área donde todo el equipo y sus componentes de hierro están aislados de las otras tierras y de sus conexiones a tierra, excepto una conexión única a la barra de ventana a tierra (GWB). Todo el equipo ubicado en la zona IGZ flota a un potencial igual al de la barra GWB debido a que se utiliza el concepto de un solo punto de tierra. Cuando todas las cargas del equipo electrónico operan al mismo potencial es imposible que ocurra un voltaje dañino, incluso se eliminan los sobrevoltajes. El gabinete de cualquier equipo instalado en la zona IGZ debe conectarse a tierra mediante una conexión a la barra de ventana a tierra (GWB). Esta barra se ubica en la zona IGZ y tal como la barra MGB, es de cobre y está aislada de sus soportes. Asimismo, debe conectarse a la barra MGB por medio de un conductor de calibre AWG número 2/0 o mayor siguiendo la ruta más directa. La resistencia total de esta conexión no debe exceder los 0.005 ohm. Algunos fabricantes recomiendan emplear dos conductores paralelos uno junto al otro para conectar la barra GWB a la MGB. La figura ilustra la conexión a tierra de los equipos dentro de la zona aislada. El equipo típico que se puede instalar en la zona IGZ incluye: 1. Conmutadores digitales. 2. Equipo de transmisión dotado de fibras ópticas 3. Multiplexores, equipo digital. 4. Inversores que proporcionan energía de c.a. dentro de la zona IGZ. 5. Conductos de cables ubicados dentro de esta zona. 6. Equipo de telefonía digital. Los inversores (convertidores de c.d. a c.a.) se usan para proporcionar energía de c.a. en el interior de la zona de tierra aislada. Asimismo, deben instalarse dentro de la zona IGZ y es preciso que su salida se conecte a tierra.



El uso de inversores para la alimentación de c.a. en la zona de tierra aislada tiene ciertas ventajas sobre la línea comercial de alimentación: a) La salida del inversor se conectará a tierra. Esto eliminará los potenciales

capaces de causar daños que pudieran existir entre el equipo periférico y el de conmutación digital, cuando el primero recibe energía comercial de c.a.

b) La integridad de la zona de tierra aislada se mantiene mientras se cumple con los requisitos del Código.

c) La zona de tierra aislada se separa totalmente de la línea de alimentación comercial y de la tierra de ésta (cable verde), lo cual puede convertirse en un generador de sobrevoltajes transitorios durante tormentas eléctricas.

d) El equipo periférico ubicado en la zona de tierra aislada se alimenta con la energía que proviene de una fuente ininterrumpible de energía (UPS).

5.3.6 Zona de tierra no aislada: Usualmente el equipo ubicado fuera de los límites de la zona IGZ incluye ciertos circuitos electrónicos, el transportador analógico, la fuente de energía y el bastidor principal de distribución, (MDF, por sus siglas en inglés). Los gabinetes montados fuera de la zona IGZ deben aislarse de todas las tierras, excepto de la conexión de regreso a la sección (N) de la barra MGB. Este aislamiento permitirá asegurarse de que el equipo no esté en la trayectoria de las sobrevoltajes transitorios que pueden desarrollarse debido a la aparición de fallas incidentales o desconocidas en las conexiones a tierra. 5.3.7 Bastidor principal de distribución: Es preciso adoptar medidas especiales en el punto MDF con el fin de controlar los sobrevoltajes transitorios y así brindar protección al personal. Por tanto, la barra MDF debe quedar fuera de la zona IGZ. El conductor que conecta la barra MDF a la sección P de la barra MGB, ofrece una trayectoria directa de baja impedancia mediante la cual se descargan los sobrevoltajes transitorios del protector. Los componentes de hierro; sin embargo, deben conectarse a la sección (N) de la barra MGB para proteger al personal. Es necesario que en cada 10,5 m de longitud horizontal del armazón haya una conexión a tierra.



Figura 26. Sistema de puesta a tierra (SPAT) de un sitio de telecomunicaciones



Es recomendable que una barra intermedia a tierra sirva como punto de conexión para los múltiples conductores a tierra de los accesorios de conexión de la barra MDF. Los componentes de conexión a tierra de todos los elementos de ensamble de protección de la barra MDF deben estar aislados del hierro de ésta, lo que evitará que las corrientes del protector de sobrevoltaje transitorio, fluyan a través del equipo de la oficina central por medio de los conductos de cables u otra conexión incidental al hierro de la barra MDF. 5.3.8 Cables de entrada: La barra de tierra del cable de entrada (CEGB) es de cobre, está aislada de su soporte y sirve como punto común de conexión a tierra para el lado de campo de todos los blindajes de los cables de entrada. La barra CEGB se instala de manera que el conductor de tierra individual AWG calibre número 6 de cada blindaje del cable de entrada sea tan corto y directo como sea posible, preferiblemente cercano a los conductos de entrada. Tanto esta barra como la MDF de tierra deben conectarse a la sección (P) de la barra MGB. Todos los blindajes metálicos de cable que entren a la oficina central contarán con un aislamiento de cuando menos 78 mm. El objetivo es dirigir los sobrevoltajes transitorios eléctricos que pudieran estar presentes en el blindaje del cable exterior de la planta hacia la barra CEGB, evitando que así se dirijan a la barra de tierra MDF. Con este fin se instala un cable de unión a la barra CEGB. El cable se aísla de los gabinetes de soporte en todos los puntos de contacto para preservar el concepto de “un solo punto de contacto”, y así evitar cortocircuitos por fallas en el aislamiento. Todas las secciones de bandejas portacables estarán unidas utilizando un alambre AWG calibre número 6. Con el fin de establecer una buena conexión la pintura que está alrededor de los bordes de las bandejas debe removerse y se debe usar el accesorio de montaje apropiado.



5.4 PROTECCIÓN PARA LA ENTRADA DE SERVICIO DE LOS SUPRESORES DE SOBREVOLTAJES TRANSITORIOS. La línea comercial de c.a. debe estar equipada con un supresor de sobrevoltajes transitorios o limitadores de sobretensiones. Estos equipos protectores fijan el voltaje a ciertos límites preestablecidos o desvían las corrientes a tierra y por ello mantienen el voltaje a un nivel aceptable. Los sobrevoltajes transitorios son perturbaciones que afectan y destruyen equipos y tarjetas de circuito impreso en los equipos de comunicaciones. También se conocen como picos o sobrevoltajes de corta duración que viajan sobre la onda senoidal. Es importante establecer la diferencia entre un pararrayos y un supresor de sobrevoltajes transitorios. El primero está diseñado para proteger contra voltajes altos que generan las descarga atmosféricas; se utilizan en las centrales eléctricas y las compañías telefónicas. En las centrales protege los transformadores de distribución. Los supresores se diseñan para fijar el voltaje muy cerca del voltaje nominal del circuito, y para mayor efectividad se instalan en el tablero principal de servicio que está en la acometida del edificio. Aunque los rayos suelen causar el daño más visible, no es la causa predominante de los sobrevoltajes transitorios. Las causas locales más usuales de éstos son: • La conmutación de carga. • Conmutadores • Los sistemas de aire acondicionado. • Lámparas fluorescentes. • Otras cargas inductivas. Las fuentes externas incluyen sobrevoltajes inducidos por la compañía que suministra la energía al conmutar; los bancos de capacitores que se utilizan para corregir el factor de potencia cuando ocurre un apagón y se activa el generador de respaldo; el hecho de compartir energía con otros usuarios y la existencia de problemas de regulación de voltaje.



El objetivo de proteger los sitios que utilizan antenas contra los sobrevoltajes transitorios es mantener una operación confiable de los equipos de comunicación, en particular cuando se presentan las tormentas eléctricas. Es recomendable instalar sistemas de protección redundante pues en caso de que falle el supresor primario debido a una descarga de rayos, el sistema de respaldo protegerá la instalación mientras se reemplaza el supresor dañado. La técnica de absorción de sobrevoltajes pretende reducir el sobrevoltaje a un valor inocuo para el equipo electrónico o la instalación eléctrica. Los dispositivos limitadores de sobrevoltaje se instalan donde se espera que llegue un impulso o sobrevoltaje transitorio. 5.4.1 Evaluación de los supresores de sobrevoltaje transitorios: Para evaluar cualquier tipo de limitador de sobrevoltajes transitorios se deben considerar los siguientes aspectos: 1. Las características de energía, temperatura, dimensiones, tiempo de

respuesta, corrientes de fuga y capacidad del limitador. 2. El factor de limitación; es decir, el cociente entre la tensión de

limitación a una corriente pequeña y la máxima tensión durante el sobrevoltaje transitorio especificado.

3. Las tensiones disponibles para obtener el nivel de voltaje de protección. 4. El costo por Joule, lo que es conveniente para evaluar el costo real de la

protección en términos de W/s. 5. La confiabilidad del limitador. 6. El limitador no debe interferir con el funcionamiento normal del equipo

que se alimenta. 7. Durante su funcionamiento dinámico, debe limitar instantáneamente el

sobrevoltaje a un nivel de seguridad. 8. Debe ser mecánicamente compatible con el equipo 9. Debe tener un costo bajo en relación con el costo global del sistema. 10. Emplear factores de 1.6 a 1.8 veces la tensión de servicio para

seleccionar la tensión de sobrevoltaje donde empiezan a operar los dispositivos limitadores de sobrevoltaje.



5.5 SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE UN SITIO DE TELECOMUNICACIONES El sistema de tierra lo componen cuatro subsistemas básicos: • Sistema de electrodo de tierra. • Sistema de protección contra fallas. • Sistema de protección contra descargas atmosféricas. • Sistema de referencia de señal. 5.5.1 El sistema de electrodo de tierra: Este sistema se instala en cada sitio de comunicaciones a fin de proporcionar una trayectoria de baja resistencia para conducir la energía de los rayos y evitar que ocurran diferencias peligrosas de voltaje. Asimismo debe ser capaz de disipar a tierra la energía de los rayos sin degradarse e interconectar todos los electrodos de tierra y objetos metálicos del sitio. Por lo tanto, antes de éste debe efectuarse un reconocimiento del área y realizar una medida de resistencia volumétrica del terreno y del sistema de electrodo de tierra. Estas acciones deben efectuarse durante la época de sequía y de lluvia y como mínimo una vez. Este reconocimiento o auditoria del sitio debe incluir medidas y estudio de: • Resistividad de la tierra. • Resistencia a tierra usando el método de caída de potencial o del 62%. • Cualquier elemento natural que tenga un impacto sobre la resistividad del

suelo, como formaciones rocosas, presencia de asfalto o concreto. El sistema que se está tratando también se conoce como anillo exterior de tierra y está formado por electrodos de tierra (varillas de tierra) y un conductor de tierra interconectados. 5.5.2 Varillas de puesta a tierra: Deben ser de acero recubierto de cobre y tener una longitud mínima de 2,4 m y un diámetro de 16 mm. El revestimiento de cobre no debe ser menor de 0,031 m. • El espacio mínimo aceptable entre varillas es de 1,8 m pero se recomienda

un espacio de dos veces la longitud de la varilla. • El espacio mínimo entre varillas y el edificio es de 60 cm. • Debe enterrarse a una profundidad de 75 cm.



5.5.2.1 Radiales: La interconexión de varillas de tierra es la medida correcta en lugares donde es posible enterrarlas. Algunos lugares son tan rocosos que es necesario utilizar otros esquemas de conexión a tierra. Los radiales, o cables extendidos horizontalmente, son excelentes no sólo para un buen sistema de baja frecuencia, sino también para un sistema a tierra contra radiofrecuencia o RF.

Figura 27. Sistema de puesta a tierra de un sitio de comunicaciones en forma radial.

Teóricamente cuatro radiales enterrados, cada uno de 20 m de longitud, y de alambre AWG número 2, tendrán una resistencia de 30 ohm en un suelo de 1000 ohms · m. Ocho radiales proporcionarían una resistencia de 25 ohm. Ocho radiales separados uno de otro 50 m colocados sobre la superficie o



enterrados en forma superficial tendrán una resistencia de aproximadamente 13 ohm en un suelo de 1000 ohm·m. Para casos prácticos se recomienda que los radiales se extiendan en secciones de 22 m, nunca menores de 15 m, y que se utilicen radiales adicionales desde la torre para reducir aún más la resistencia a tierra. De esta forma, la mayor cantidad de energía se aleja de la torre y de la caseta del equipo. Los tendidos de radiales deben estar orientados de tal forma que se alejen lo más posible de la caseta. 5.5.3 Conductor del anillo exterior de tierra: Las características de este componente son: • Que sea sólido de cobre y su calibre mínimo sea AWG, número 2/0 • Que haya sido soldado mediante proceso exotérmico a cada varilla de

tierra. • Que se entierre 75 cm por debajo de la superficie del terreno. • Que se conecte a la barra principal de tierra. 5.5.4 Unión del electrodo de puesta a tierra: El sistema de electrodo de tierra del sitio de comunicaciones deberá unirse: • En un punto único tal como lo exige la sección 250-32 del NEC. • A todos los subsistemas de tierra, los cuales incluyen el sistema de

protección contra descargas atmosféricas, la referencia de señal y los sistemas de protección contra fallas.

• A la tubería metálica bajo tierra, a los tanques u otras masas u objetos metálicos enterrados.

Todas las conexiones bajo tierra deben soldarse mediante procesos exotérmicos o equivalentes. Las excepciones son las abrazaderas con pernos, que se recomiendan para realizar: • Conexiones entre los sistemas de tierra de la torre y los del edificio • Conexiones entre el anillo exterior de tierra y otro sistema de tierra análogo.



El propósito de estas conexiones mecánicas es facilitar las pruebas y el mantenimiento de los sistemas de tierra. Ya que estas conexiones se pueden remover y reconectar fácilmente, cada componente mayor del sistema de tierra puede someterse a pruebas por separado para determinar la impedancia de los componentes del sistema.(Ver Anexo A-Fotografía 18) 5.5.5 Estructuras de soporte: El sistema del electrodo de tierra deberá conectarse a todas las estructuras de soporte. Si una torre se ubica cerca de otra estructura o edificio, la distancia entre ambas estructuras determina el número de electrodos a tierra que requiere el sistema. Como regla general, si la distancia mínima entre la torre y la estructura es de 6 m o menor, se recomienda instalar un solo sistema para la torre y la estructura adyacente o edificio. Si la distancia fuese mayor, la mejor elección es instalar dos sistemas separados, uno para la torre y otro para la estructura adyacente. Dos conductores de cobre de calibre no menor al AWG número 2 se instalarán en rutas diferentes para conectar el sistema del electrodo de tierra de la torre al sistema del electrodo de tierra de la estructura o edificio donde se ubican interfaces de señal, control y potencia con la torre. 5.6 Sistema de protección contra descargas atmosféricas: Este sistema debe colocarse en los edificios y estructuras de acuerdo con el Código de protección contra rayos, NFPA 780 última edición. Esta protección debe extenderse a los elementos eléctricos y electrónicos que forman parte de un sitio de comunicaciones. Los componentes básicos del sistema consisten en: • Dispositivos de protección contra sobrevoltajes transitorios. • Conductores bajantes. • Otros elementos de interconexión. 5.6.1 Dispositivos de protección contra sobrevoltajes transitorios: Los laboratorios UL (Underwriters Laboratories) proporcionan normas para los dispositivos de protección contra sobrevoltajes que deben instalarse en: • Líneas aéreas de alimentación y en los conductores de acometida del sitio de comunicaciones. El supresor debe instalarse de acuerdo con el artículo 280 del Código. • Circuitos de alumbrado de las torres.



• Líneas telefónicas y blindaje de los cables de teléfono, componentes que deben conectarse al sistema de electrodo de tierra. 5.6.2 Conductores bajantes: Es indispensable que las bajadas de tierra de los pararrayos estén formadas por conductores de cobre o conductores revestidos con este metal. Esos elementos interconectan todas las terminales aéreas o varillas pararrayos y forman dos trayectorias hacia el sistema del electrodo de tierra. • En torres metálicas donde se utilizan los elementos de la estructura como conductor bajante, las patas de las torres deberán tener como mínimo un conductor bajante unido a la base y al sistema de electrodo de tierra. • Los conductores bajantes que conecten al sistema de electrodo de tierra deben contar con protección contra daños mecánicos. • Los cables de conexión que se extienden a través de cimientos o zanjas se deben instalar en conductos no metálicos. 5.6.3 Guías de onda: Las guías de onda metálicas que se colocan en las antenas de radio estarán conectadas a tierra como mínimo en tres puntos: • En la antena. • En la base de la torre, en la transición de vertical a horizontal. • En el puerto de entrada de la guía de onda. La guía de onda se conectará a tierra utilizando cinta de cobre AWG número 6 o similar. No debe utilizarse cable trenzado.(Ver Anexo A-Fotografía 19) El puerto de entrada de la guía de onda se conecta al sistema de electrodo de tierra usando cintas de cobre o un conductor sólido de cobre de calibre superior al AWG del número 2. Las estructuras metálicas de soporte para las guías de onda deben ser eléctricamente continuas y deben conectarse al sistema del electrodo de tierra en la primera y última columna de la estructura de soporte como mínimo.(Ver Anexo A-Fotografías 20, 21, 22 y 23) 5.6.4 Sistema de referencia de señal: Es necesario que cada sitio de comunicaciones cuente con este sistema. Aunque existen diferencias entre



instalaciones celulares y otro sitios de comunicación, lo importante es lograr una conexión a tierra de referencia de señal que minimice las interferencias entre los equipos. Los circuitos de señales se conectan a tierra para controlar el ruido y las cargas estáticas, a fin de establecer una referencia común para las señales entre la fuente y la carga. 5.6.5 Redes de baja frecuencia: Las oficinas de conmutación telefónica, que son redes de baja frecuencia, generalmente operan a frecuencias entre c.d. y 300 Khz. Una red de este tipo aísla las señales de baja frecuencia de otras redes, incluyendo las tierras de las estructuras, la tierra de seguridad, la de rayos y de potencia. También previene el desarrollo de corrientes parásitas, generalmente de 60 Hz, que pueden provocar caídas de potencial entre los puntos del sistema de tierra. Además, debe conectarse al sistema del electrodo de tierra de un sólo punto (único punto de conexión a tierra) y debe estar diseñada para minimizar la longitud del conductor. Durante las perturbaciones eléctricas, las alteraciones de voltaje variarán mucho en diferentes puntos del sistema de tierra de la oficina central. Si los gabinetes energizados con voltajes de c.d. están unidos en varios puntos a lo largo del sistema, podrían generarse diferencias de potencial entre los equipos interconectados. Tal vez ocurran daños si estos potenciales provocan un flujo de corriente sobre el cableado de señal y finalmente a través del circuito digital sensible. La conexión a tierra de todo el equipo de la oficina central en un solo punto minimizará el daño que provocaría la diferencia de potencial. Un solo punto de conexión a tierra en la oficina central se logra conectando todos los elementos correspondientes a una barra de cobre llamada barra principal de tierra (MGB). La zona de tierra aislada (IGZ) contiene el equipo digital sensible aislado de todas las tierras externas, excepto de una conexión única que se hace a una barra de cobre llamada barra de la ventana de tierra (GWB).



5.6.6 Instalación del conductor de conexión a tierra: Los conductores de conexión a tierra se aislarán y seguirán la trayectoria más corta para minimizar la inductancia que impedirá los sobrevoltajes transitorios. Cualquier doblez del cable debe realizarse en forma gradual. Algunos fabricantes proveen instrucciones relativas al radio mínimo de curvatura. Los conductores de tierra asociados con los productores de sobrevoltajes transitorios o los absorbedores de éstas no deben extenderse en proximidad ni en paralelo a otro conductores de tierra, en especial los de la zona IGZ. Es pertinente evitar la instalación del cable a través de los gabinetes respectivos o por el interior de cualquier componente de hierro, así como utilizar conductos no metálicos. Las conexiones a las barras MGB y GWB requieren el uso de accesorios de montaje con dos pernos que tengan una conexión de compresión o de soldadura exotérmica (figura). Es recomendable aplicar grasa anticorrosiva. Las etiquetas o las identificaciones permanentes deben colocarse sobre los conductores de tierra para identificar su origen. Los conductores de tierra conectados a las barras MGB y GWB se identificarán en ambos extremos. 5.6.7 Anillo interior de tierra o halo: Las instalaciones celulares, que son redes de alta frecuencia, requieren un plano de tierra equipotencial que entre más extenso sea minimizará con mayor efectividad las diferencias de potencial entre los equipos que están interconectados a alta frecuencia. En una instalación típica, el anillo interior de tierra o halo, proporciona este plano equipotencial. Al aplicar este concepto se protege el sitio contra los pulsos electromagnéticos de alta frecuencia y los que producen las descargas atmosféricas.(Ver Anexo A-Fotografías 24, 25, 26, 27,28 y 29) La forma correcta de utilizar el halo en una instalación de comunicaciones es usarlo como un blindaje de Faraday (Ver Anexo A-Fotografías 2 y 30). Si se conecta en los cuatro rincones de la estructura, el anillo exterior de tierra funcionará como un plano de tierra invertido para bloquear la radiofrecuencia y los campos inducidos a los circuitos por las descargas atmosféricas.



Solamente metal inactivo debe conectarse al halo, por ejemplo los conductos del aire acondicionado y calefacción, los marcos metálicos de las puertas, etcétera. Siempre se utiliza un punto único de conexión a tierra y el halo debe ser parte de este sistema. Los equipos no deben conectarse al anillo interior o halo. Los conductores desarrollan dentro de la estructura de metal voltajes en distancias cortas como resultado de los campos electromagnéticos. Si los conductores de tierra del equipo se unen al halo alrededor del cuarto, se perderá el control de corrientes que buscan la tierra y podrían desarrollar diferencias de potencial entre gabinetes lo cual causaría daños o disrupciones. La prevención de estos problemas requiere que todas las tierras de los equipos se conecten directamente a la barra principal de tierra y mantener así el sistema de único punto de conexión a tierra. La barra principal de tierra se conecta al anillo exterior y puede conectarse en más de un punto. Es importante notar que el halo nos conecta a la barra principal de tierra. Otro sistema que logra el mismo objetivo y que protege a los equipos contra las interferencias y campos electromagnéticos consiste en conectar el halo a la barra principal de tierra, aunque no existen las conexiones previas del halo al anillo de tierra en las cuatro esquinas. Este sistema también proporciona una puesta a tierra con un punto único de conexión a tierra. El halo debe cubrir los siguientes requisitos: • Instalarse aproximadamente 15 cm por debajo del techo interior de la

caseta o estructura. • Cuando se conecte al anillo exterior de tierra en las cuatro esquinas de la

estructura no debe conectarse a la barra principal de tierra. • La barra principal de tierra se conecta al anillo exterior de tierra. • No debe existir una conexión entre el halo y la barra principal a tierra. • Cuando se conecta el halo a la barra principal de tierra, no debe existir

ninguna conexión entre el halo y el anillo exterior de tierra. Sólo cumpliendo estos requisitos se mantiene el concepto de punto único de conexión a tierra.



Con el fin de minimizar la diferencia de potencial entre puntos de la red de referencia de señal de alta frecuencia, es importante mantener la resistencia de c.d. entre dos puntos de un chasis o gabinete del equipo a un valor inferior a 1 miliohm (0,001 ohm). En resumen, es importante enfatizar que no es recomendable que el halo se use como tierra del equipo: • No se debe interconectar el halo al punto único de conexión a tierra. • El potencial en un sistema de punto único de conexión a tierra se eleva y

baja durante una descarga atmosférica. • Si el halo está interconectado proporcionará trayectorias múltiples a tierra

dentro del edificio, en lugar de ir hacia un solo punto de tierra. • Si se interconecta, el halo radiará un campo magnético en el edificio en

lugar de absorberlo. • Un campo magnético intenso puede inducir corrientes destructivas en los

dispositivos sensibles de estado sólido. 5.7 ESFERA RODANTE 5.7.1 Conexión a tierra para torres de antena: Los rayos se descargan en las torres con más frecuencia que en otro lugar. Usualmente las torres son más altas que otros elementos que las rodean y poseen cierta cantidad de resistencia e inductancia por pie. La resistencia de las uniones en la torre es bastante baja, de un nivel de 0,001 ohm. La figura muestra el concepto de la esfera rodante para la protección de torres, sus equipos sensibles y la caseta de comunicaciones. La esfera de 91.50 m de diámetro se desplaza hacia la torre y el área por debajo del punto tangente a la varilla pararrayos y el punto tangente a la superficie de la tierra (área sombreada) es el área que protege el sistema de protección contra descargas atmosféricas. Cuando la torre rebasa los 45,75 m de radio de la esfera, no existe protección y se requiere otro esquema adicional para la protección de la antena y del equipo que está instalado en la parte Superior de la torre (véase la figura 28).



Figura 28. Concepto de la esfera rodante para protección contra rayos Aplicada a una torre mayor a 46 m de altura.

Por encima de los 45,75 m la torre no cuenta con protección contra rayos. La protección del equipo y de las antenas instaladas en el costado de la torre requiere utilizar otros esquemas; por ejemplo, el que se ilustra en la siguiente figura. En este caso se instalan varillas de forma horizontal en el costado de la torre. El área de protección es el área definida por los puntos tangentes a estas varillas, usando la esfera rodante de 45,75 m de radio. Es importante tener presente el siguiente dato: se ha determinado que aproximadamente un 70% de la energía de un rayo se disipa a tierra por medio de la torre debido a su baja impedancia, comparada con la del conductor bajante, que disipa cerca 30% de esta energía. Por tanto, para cumplir con regulaciones del Código, el cual exige como mínimo dos conductores bajantes para cualquier estructura, se considera que la torre misma es un conductor bajante. Por ello, todas las conexiones a tierra



del equipo ubicado en las torres deben conectarse a tierra mediante la torre y no al conductor bajante.

Figura 29. Protección de equipos y antenas cuando la altura de la torre excede los 45.75 m

Usualmente se utiliza un travesaño conectado a la torre, de acero o cobre para efectuar estas uniones de tierra de los equipos montados sobre la torre. Lo importante es la inductancia de la torre, que depende de su configuración geométrica. La relación alto-anchura y su altura determinan el nivel de inductancia total de una torre; es decir, una torre de 45 m tendrá una inductancia de aproximadamente 40µ H. Un cable coaxial de 13 mm de diámetro que baje 41,14 m desde la punta de la torre de 45 m tendrá una inductancia cercana a los 72 µ H. Si el blindaje del



cable coaxial se une a la parte superior de la torre y a 4,5 m del suelo la inductancia total aproximada de la torre será de 27 µ H. Estos valores se utilizan para calcular el sobrevoltaje transitorio desde la parte superior de la torre a tierra durante las descargas atmosféricas, y de acuerdo con la ley de Lenz, un factor importante es la inductancia que provoca un pulso transitorio de tensión:

E = -L di/dt En donde E = sobrevoltaje transitorio L = inductancia di/dt= cambio en el flujo de corriente por segundo. La fuerza electromotriz o “E” se genera siempre que ocurre un cambio en el flujo magnético que circula por un circuito. Es importante que haya una protección que desvíe la energía del impacto de un rayo al sistema de tierra. Un impacto directo o cercano puede hacer que oscile una antena y porque se trata de un circuito sintonizado. Sin embargo, una antena conectada a tierra puede soportar el impacto. La forma de onda resonante tendrá todas las frecuencias presentes en la antena, lo que indica que tanto la resonancia en frecuencia como las demás frecuencias bajarán por la línea de transmisión hasta el equipo. Una antena que no haya sido conectada a tierra sufrirá el salto de una chispa o arco eléctrico entre el conductor central del cable coaxial y el blindaje exterior, lo que creará una serie de componentes de alta frecuencia que circularán por la línea de transmisión hasta el equipo. Esto lo provoca la diferencia de voltaje entre el blindaje del cable coaxial y el conductor central, además de la tensión adicional de oscilación. Por lo tanto, debe usarse un protector para eliminar, atenuar o impedir que esta energía llegue hasta el equipo. También es importante considerar, en cuanto a la protección contra la radiofrecuencia, el efecto pelicular (skin). Este efecto es un fenómeno físico



que se relaciona con la profundidad de penetración de una señal de radiofrecuencia o RF, en un conductor, esto de acuerdo con la frecuencia de la señal. Dicho efecto está presente en el cable coaxial que mantiene la señal de RF en su conductor central y las interferencias que se acoplan al cable en el blindaje exterior. Esto disminuye a medida que la frecuencia baja y que la penetración mezcla la energía de interferencia en el blindaje exterior del cable coaxial con la señal interna del conductor central. En el caso de los rayos, las frecuencias fluctúan entre c.d. y aproximadamente 1 MHz; se trata de un intervalo que afecta al cable coaxial y se llama impedancia de transmisión. Mientras más grueso sea el material del blindaje, menor es el efecto de las corrientes de baja frecuencia. En el caso del cable coaxial, el conductor central posee mayor inductancia, así que los pulsos toman más tiempo en propagarse en este conductor que en el blindaje del cable. Por lo tanto, es necesario compensar esta diferencia de tensión con un protector contra sobrevoltajes transitorios, para evitar que afecte al equipo. 5.8 SELECCIÓN DE PROTECTORES. Es importante anotar que la susceptibilidad de un elemento a fallar por sobretensiones responde no sólo a su aislamiento y nivel de tensión de trabajo, sino también a la longitud y exposición de los cables que le lleguen al equipo. Algunas veces es conveniente colocar pararrayos en uno o dos postes anteriores a la llegada al transformador. Específicamente se recomienda hacerlo cuando la resistividad de los terrenos es muy alta (más de 5000 Ω-m) y la línea de distribución está muy expuesta a descargas atmosféricas. La protección de la alimentación a 220 V se hace en dos etapas: La primera etapa es proteger la acometida entre el transformador y el medidor, lo cual se hace colocando pararrayos secundarios a cada una de las fases (110 V) y aterrizando el neutro tanto en el transformador como en el medidor. Debe garantizarse también que la tierra del poste del transformador esté unida



con la puesta a tierra de la estación. Los pararrayos secundarios se instalan en el propio transformador, (protegiendo ambas líneas vivas) y en la caja de medidores (después del interruptor principal de la acometida). Los protectores recomendados deben tener las siguientes características técnicas: Número de fases a proteger = 2 Tensión nominal de fase = 125 Vrms Tensión de corte ≤ 1300 V (con 10 kA) Capacidad de disipación de energía ≥ 1000 J/fase La segunda etapa de protección se efectúa en los tableros de distribución donde se usan protectores de las siguientes características: Tensión nominal = 130 Vrms Tensión de corte ≤1000V (con 10 kA) Cap. de disipación de energía ≥ 800 J/fase Estos protectores tienen fusibles internos por lo que se pueden instalar en el barraje del tablero. El tablero de la transferencia de la planta Diesel debe protegerse también con protectores iguales a los anteriores. Para la planta Diesel como tal se deben colocar también protectores en las fases, cuyo fin primordial es equipotencializarlas durante elevaciones de potencial de tierra cuando esté fuera de servicio, para lo cual se requiere colocar varistores en la caja de conexiones. Las tensiones internas del control de la Diesel también deben protegerse usando varistores, pero la selección y ubicación de estos protectores depende de cada tipo de planta. 5.8.1 Sobrecorriente: La protección por sobrecorriente en las estaciones



presenta una menor dificultad que las protecciones de sobretensiones; sin embargo, debe tenerse un sistema de protección de sobrecorriente adecuado para garantizar la oportuna desconexión de la alimentación de la falla y para garantizar que cuando un protector de sobretensión falle, exista detrás de él una protección que despeje la falla producida por la sobrecorriente, ya que usualmente cuando un protector falla se pone en cortocircuito en el instante de la falla. Para las estaciones se tienen protecciones de sobrecorriente así: • Para la alimentación principal a través de la línea a 13,2 kV se usan fusibles

rápidos con corriente nominal de corte menor de 10 kA • Para el nivel de 220/110 V se usan mini-interruptores termomagnéticos con

corriente nominal seleccionada con base en la carga atendida (generalmente se tienen corrientes nominales inferiores a 60 A por lo que el mini-interruptor seleccionado tienen esta capacidad). Luego de este mini-interruptor se colocan los pararrayos secundarios del contador, para garantizar apertura por falla de los mismos. Los pararrayos secundarios del transformador no se protegen, por las dificultades propias de la instalación.

En el nivel de 220/110 V se tiene normalmente después un tablero de distribución interna, ubicado en la sala de equipos, desde donde se distribuyen circuitos para alumbrado, tomas, cargador de baterías, etc., los cuales se comandan y protegen con mini-interruptores termomagnéticos de menor capacidad que el principal (10 A, 20 A y 30 A). Los protectores secundarios de sobretensión usados allí también deben instalarse luego de los mini interruptores. Normalmente el tablero de la transferencia de la planta Diesel viene con todas las protecciones de sobrecorriente, por lo que sólo debe verificarse que estas coordinen bien con el interruptor principal.



6. DISEÑO Y CÁLCULO DE LA PROTECCIÓN INTEGRAL

6.1 METODOLOGÍA 6.1.1 Recopilación de la información necesaria: En referencia a la recopilación adquirida e investigada, tanto información de ingenieros investigadores colombianos, chilenos, multinacionales y de otros países del mundo acerca de este tan complejo tema, como lo son los Sistemas de Puesta a Tierra y, más aún, encontrar una integración en sus protecciones con el SPT, el grupo de trabajo adquirió la información necesaria para garantizar que el proyecto fuera un éxito. El grupo trabajó con base a normas internacionales como algunas contempladas por IEC, IEEE y las nacionales tales como la NTC para sistemas de puesta a tierra. 6.1.2 Visitas al sitio: A pesar de la situación de orden público que se vive en el país, se logró el objetivo de visitar las estaciones de telecomunicaciones de: INRAVISIÓN, BELLSOUTH, BURMÁN RADIO, AERONÁUTICA CIVIL, RCN RADIO Y EL CONSORCIO DE CANALES NACIONALES PRIVADOS RCN Y CARACOL TELEVISIÓN. En las estaciones de la policía y compañías petroleras no fue posible el acceso ya que éstas negaron el permiso al grupo de trabajo. Se efectuaron visitas en el cerro de Manjui, a la mayoría de estaciones que se encuentran en éste. A cada una de estas estaciones de telecomunicaciones se les realizó el reconocimiento del sistema de puesta a tierra existente, al igual que se investigó de una manera general la recepción y transmisión de señales del sistema de telecomunicaciones como tal. El análisis para el estudio de este proyecto y las mediciones en general que se realizaron en las estaciones condujeron a: • Disposición de la sala de equipos (o shelter), la planta de emergencia y la



torre. • Definición de rutas y toma de las medidas de la resistividad al terreno y

resistencia del SPAT existente. • Tipo de estación (base, omni o sectorizada, repetidora o extensor de celda),

altura de la torre y ruta del alimentador primario. 6.2 INSTRUMENTOS UTILIZADOS Para las mediciones de la resistividad del suelo se utilizaron los telurómetros de cuatro terminales de la serie UNILAP GEOX LEM digital, un análogo marca METRATERR y un análogo MEGER KYORITSU Modelo 4102 (Ver Anexo A-Fotografía 31). 6.3 MEDIDAS En este proyecto, las medidas de resistividad y resistencia de las torres de telecomunicaciones en el Cerro de Manjui están basadas en los métodos de Wenner, Schulumberger – Palmer y el método de la caída de potencial. Es importante aclarar que en este proyecto, cuando se habla de torres de telecomunicaciones, se está refiriendo a todo el conjunto de elementos que componen una estación de telecomunicaciones. Entre los más importante tenemos: la torre de telecomunicaciones, el cuarto de equipos y la planta de energía. A continuación se explican los métodos utilizados para las mediciones realizadas en el cerro de Manjui 6.3.1 Método de Wenner: En el método de Wenner o de los cuatro terminales, los electrodos se colocaron en línea recta espaciados uniformemente, tal como se muestra en la Figura 30. Las mediciones de resistividad para este diseño se hicieron teniendo en cuenta que la profundidad de enterramiento b es despreciable comparada con la separación entre electrodos a, por lo tanto la fórmula utilizada es:

Ra ***2 πρ =



Figura 30. Método de WENNER para el cálculo de resistividad

6.3.2 Método de Schlumberger – Palmer: En el método de Schlumberger - Palmer los electrodos se colocaron en línea recta espaciados en forma progresiva requiriéndose sólo que la separación entre los electrodos de potencial sea igual a la profundidad a la cual se desea medir la resistividad, esto es conveniente cuando se requiere medir la resistividad a grandes profundidades. En la Figura 31 se ilustra este método.

R=V/1

Figura 31. Método de Schlumberger-Palmer para la medida de la resistividad del suelo.

C2

I

C1 P1 P2 a a a

b Línea

de

VS R

Suelo ρa



Si la profundidad de enterramiento de los electrodos es despreciable con respecto a su separación, la resistividad aparente del suelo a una profundidad d (igual al espaciamiento entre los electrodos de potencial), se puede determinar como:

Rd

dcc *)(** +=

πρ

donde, c : Separación entre los electrodos de tensión y corriente [m] d : Separación entre electrodos de potencial [m] 6.3.3 Método de la caída de potencial: Para tomar la medida de resistencia de puesta a tierra se utilizó el método de la caída de potencial, recomendado por la norma ANSI/lEE Std. 81 - 1983 “IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground lmpedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System”. De esta forma se puede verificar su estado y establecer los criterios para su mejoramiento, rediseño y conexión a otros sistemas de tierra. Una resistencia ideal para un sistema de telecomunicaciones está bajo los 5 Ω. Para realizar la medida se inyecta una corriente a la malla de puesta a tierra, cerrando el circuito por medio de un electrodo remoto C y midiendo el voltaje entre la puesta a tierra a medir de la estación de telecomunicaciones y el electrodo de potencial P. El término “remoto” significa variar en gran proporción la separación entre los electrodos considerados de modo que sean ubicados en lugares donde la densidad de corriente a tierra es aproximadamente cero.



Figura 32. Método de la caída de potencial

La ventaja principal del método de caída de potencial es que los electrodos de potencial y de corriente pueden tener, substancialmente, una mayor resistencia que el sistema de tierra a medir, sin afectar significativamente la precisión de las mediciones y que la impedancia de los cables del medidor no afecta la medida, dado que el circuito de corriente es independiente del circuito de tensión. 6.4 DESCRIPCIÓN DE UNA ESTACIÓN BASE TÍPICA. Una estación base típica en el Cerro de Manjui es mostrada en la Figura 33, la cual consiste básicamente de una torre, una sala de equipos y una planta Diesel. Desde el punto de vista de la protección y puesta a tierra, las partes que aparecen en la Figura 33 son las principales. La manera como se transmite las señales de televisión, radio o celular de una manera general es la siguiente: Desde la parte de control de Bogotá se envía la señal al satélite, el satélite regresa la señal a las antenas de cada estación en el Cerro, quienes captan esta señal por medio de un receptor y desde allí se envía la señal específica a cada usuario.

0,62.d

C P E

d

M

Electrodo de potencial

Puesta a tierra a medir

C P E



Figura 33. Disposición de equipos de una base típica.

6.5 CONEXIÓN A TIERRA DE LA PATA DE LA TORRE. Este tipo de conexión fue utilizado para el rediseño en las estaciones de telecomunicaciones de BURMÁN RADIO, AERONÁUTICA CIVIL Y RCN RADIO, en esta conexión se utilizaron abrazaderas y soldadura exotérmica. La figura ilustra una conexión de la pata de la torre. Los cables de retención se deben instalar como lo ilustra la siguiente figura. Las abrazaderas de tierra que conectan el cable AWG número 2 deben ser de acero inoxidable o bronce. Es preciso evitar curvas cerradas para minimizar la impedancia del conductor.



Figura 34. Conexión de tierra en la pata de la torre.

Figura 35. Conexión a tierra de los cables tensores de sujeción.



Los cables de sujeción se tienen que conectar a tierra entre 60 y 90 cm por encima del punto de retención. La conexión de este conductor vertical se hace en la varilla de tierra. Todas las varillas de este tipo deben estar interconectadas. 6.6 CURVATURA DE LOS CONDUCTORES. Para ofrecer una baja impedancia el ángulo de curvatura de los conductores utilizados en el sistema de protección contra rayos no debe ser menor de 90 grados y debe tener un radio de curvatura no menor de 203 mm.

Figura 36. Curvatura mínima de los conductores

Figura 37. Bajante de una estructura conectada al Sistema de Puesta a Tierra



6.7 SISTEMAS EXTERIORES DE PUESTA A TIERRA PARA LAS ESTACIONES DE TELECOMUNICACIONES EN EL CERRO DE MANJUI 6.7.1 Apantallamiento: Para este Diseño de la Protección Integral del SPAT para las torres de telecomunicaciones en el Cerro de Manjui, en las estaciones de BURMÁN RADIO, AERONÁUTICA CIVIL Y RCN RADIO, en su rediseño, el apantallamiento se hace teniendo en cuenta el modelo electrogeométrico y la altura de cada una de sus torres. El principio fundamental de esta protección para este diseño integral es el de ofrecer seguridad de las personas y las estructuras, al igual que dar unos medios por los cuales una descarga eléctrica pueda entrar o dejar al Sistema de Puesta a Tierra sin daños resultantes o pérdidas. El apantallamiento para las estaciones de telecomunicaciones nombradas anteriormente debe tener tres consideraciones básicas: • Determinar la zona de protección ofrecida por los dispositivos

apantalladores que garanticen “atrapar” los rayos que puedan ser dañinos, para lo cual se usa el modelo electrogeométrico.

• Determinar cómo se conduce la descarga desde el dispositivo colector hasta

la tierra, sin producir daños humanos o materiales, esfuerzos mecánicos o interferencia electromagnética.

• Determinar cómo se reflejará la corriente en la tierra sin producir tensiones

peligrosas para los seres vivos o interferencia con otras tierras de la instalación.

6.7.2 Cercas metálicas: En las estaciones de BURMÁN RADIO, AERONÁUTICA CIVIL Y RCN RADIO sus cercas metálicas requieren ponerse a tierra para prevenir peligros que implican los choques eléctricos causados por rayos u otras fuentes eléctricas. Aunque en este diseño el apantallamiento protegerá ante esta situación, igualmente se conectarán a tierra las cercas para mayor protección. Esta conexión a tierra se hará por



medio de un cable No. 2 AWG que va desde el anillo exterior en las cuatro esquinas hasta los postes de la cerca correspondientes. Esta conexión debe hacerse utilizando un proceso exotérmico y no abrazaderas ni conectores de presión. 6.7.3 Escalerillas exteriores de metal: Las escalerillas de metal de las torres en las estaciones de telecomunicaciones en el Cerro de Manjui se deben conectar a tierra en todos los postes de soporte. Esta conexión debe hacerse con una cable número 2 AWG, sólido o trenzado, por medio de un proceso exotérmico y conectarse al anillo exterior de tierra. Para el rediseño de la estación de RCN RADIO se aplicó lo anterior. En el caso de las estaciones de BURMÁN RADIO, AERONÁUTICA CIVIL no existe escalerilla en sus torres motivo por el cual se conecta a tierra únicamente la torre por medio de un cable trenzado No. 2 AWG hasta el anillo exterior. 6.7.4 Altura de las Varas Pararrayos: Para las torres de telecomunicaciones donde se aplicó el rediseño, la punta superior de las antenas de captación o barra pararrayos, debe tener una altura mínima de 250 mm por encima del objeto o área que se va a proteger. Las varillas deben estar espaciadas una distancia no superior a 7 m entre sí. Una varilla pararrayos o punta captadora que exceda los 600 mm de altura debe soportarse en un plano no menor de la mitad de la varilla La punta de captación debe ser colocada a una distancia no superior a 60 cm de las esquinas en áreas donde la superficie a proteger es plana con objetos puntiagudos como las torres. 6.7.5 Uso de Puntas Captadoras: Para el rediseño de estas estaciones de telecomunicaciones se utiliza la punta de Franklin convencional por estación en aquel punto de la estructura de la torre que permite obtener una fijación segura, coordinando a su vez el aspecto estético, la altura adecuada para lograr una protección efectiva y el modelo electrogeométrico.



Figura 38. Tipo de varillas pararrayos

En cada torre se debe instalar dos bajantes en dos de sus patas para cada punta o pararrayo, las cuales se deben conectar en sus dos extremos, en una barra superior e inferior respectivamente. (Ver Anexo Planos). 6.8 CALIBRES RECOMENDADOS EN EL REDISEÑO

Tabla 9. Otros de los calibres que deben utilizarse para cada una de las siguientes conexiones

CONEXIÓN CALIBRE

Apantallamiento Malla de tierra

Conexión de tablero a malla de tierra Conexiones internas del tablero Bandejas

Tapas de cárcamos Ventanas metálicas

Guías de onda Equipo mayor (Diesel, torres, celdas solares, tableros de alimentación tales como contador

y suiche de transferencia. Bajantes

No. 1/O AWG No. 2/O AWG

No. 6AWG Flexible No. 10 AWG

No. 6 AWG No. 12 AWG No. 12 AWG Kit de tierra

No.1/O AWG No 2 AWG



Es importante tener en cuenta que en los lugares donde se realiza el tratamiento químico para la reducción de la resistencia de puesta a tierra, deben realizarse medidas periódicas de ésta con intervalos de medición de máximo un año, con el fin de detectar en cuál momento es necesario renovar el tratamiento.

Tabla 10. Características de diversos tipos de protección

Dispositivo supresor

Descargador abierto

Descargador de gas

Varistor de óxido de Zinc (ZnO)

Diodo supresor de

silicio

Varistor de carburo de silicio

Tensión de limitación

nominal (V)

90 a

60000

65 a

20000

10 a

2000

5 a

3500

5 a

200 Corriente de pico máxima

(A)

>100000

200 a

60000

100 a

70000

5 a

250

100 a

60000 Tiempo de respuesta

1 µ s

500 ns a

1 µ s

10 ns a

1000 ns

1 ps a

3 ns

10 ns a

1000 ns Intensidad de

fuga (A) - < 10-11 < 103 < 5x10-6 < 103

Capacitancia (pF)

1 1 a

10

40 a

15000

30 a

10000

50 a

20000 Energía de impulso (J)

100 a

6000

60 a

1000

10 a

1800

1.5 a

10000

50 a

2000 Característica

V/I simétrica simétrica simétrica Asimétrica

ó simétrica simétrica

Intensidad de seguimiento

si Si no no No

Tensión residual a 10

A (V)

> 15

2.5 a

25

1.7

1.65

1.3



6.9 CÁLCULOS PARA EL SISTEMA INTEGRAL DE PUESTA A TIERRA

Los cálculos y resultados descritos a continuación se efectuaron con base en mediciones realizadas en las estaciones de Telecomunicaciones ubicadas en el Cerro de Manjui – Cundinamarca. Se realizaron mediciones de resistividad y resistencia en las siguientes estaciones: INRAVISIÓN, BELLSOUTH – TELEFONÍA CELULAR, AERONAUTICA CIVIL, RCN – RADIO, BURMÁN RADIO Y CONSORCIO DE CANALES NACIONALES PRIVADOS DE TELEVISIÓN. 6.9.1 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES INRAVISIÓN Las mediciones de resistencia y resistividad en esta estación se efectuaron el 2 de febrero de 2002. La configuración de esta estación es la siguiente: Dos Torres, una de 150 metros y otra de 80 metros (Ver Anexo A-Fotografía 39 y 38 respectivamente)de altura, cuarto de equipos, cuarto de baterías, vivienda para operadores, cuarto de transformador, dos plantas de servicio con sus transferencias correspondientes y alimentación. 6.9.1.1 Medición de la Resistencia del SPAT Existente: Como se mencionó anteriormente, esta medición se realizó por el método de los tres electrodos. Las distancias del electrodo de Potencial se varió cada cinco (5) metros, de la misma forma la distancia del electrodo de corriente se varió al doble de la distancia correspondiente del electrodo de potencial; los pozos de inspección son tratados con químico a base de sales de referencia LEC, INC – CHEM ROD SOIL CONDITION (Ver anexo A-Fotografías 36 y 37).



MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA TORRE INRAVISIÓN DE 150 m

METODO DE LA CAÍDA DE POTENCIAL (DE LOS 3 PUNTOS)

FECHA: FEBRERO 2 DE 2002 EMPRESA: INRAVISIÓN CIUDAD: CUNDINAMARCA SITIO DE MEDICIÓN: CERRO DE MANJUI EQUIPO UTILIZADO: MEGER KYORITSU Modelo 4102 RESULTADO DE LAS MEDICIONES

DISTANCIA DEL

ELECTRODO POTENCIAL(mts)

RESISTENCIA (OHMS)

DISTANCIA DEL ELECTRODO

CORRIENTE(mts) 20 2,1 40 25 1,3 50 30 1,65 60 35 1,8 70

MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA TORRE INRAVISIÓN DE 80 m

RESULTADO DE LAS MEDICIONES


POTENCIAL(mts)

RESISTENCIA (OHMS)


CORRIENTE(mts) 15 1 30 20 1,2 40 25 1,65 50 30 1,35 60



El valor de la resistencia para otras distancias mayores a 35 metros se mantuvo en un valor constante menor de 2,5 ohmios, por lo cual al realizar un promedio se obtuvo para este sistema de puesta a tierra SPAT de la estación de INRAVISIÓN, un valor de 1,7 ohmios. 6.9.1.2 Medición de la Resistividad del suelo: El método empleado como se mencionó anteriormente fue el Método de WENNER.

T O M A D E D A T O S D E R E S I S T I V I D A D ESTACIÓN INRAVISIÓN

RESISTENCIA EN OHM PARA CADA DISTANCIA (a) a = 2 4 6 8 10 12

CONFIGURACIÓN C1-P2-P3-C4 16,7 5,4 3,5 1,7 0 0 P2-C1-C4-P3 4,3 1,5 0,1 10,8 0 0 C1-C4-P2-P3 3,2 0,8 1,5 13,7 0 0 P2-P3-C1-C4 7,1 0,9 1,7 4,2 0 0 C1-P2-C4-P3 7,2 1,8 4,3 10,1 0 0 P2-C1-P3-C4 11,9 2 2,7 1,7 0 0

Prom. resistencia. 8,40 2,07 2,30 7,03 0,00 0,00

RESISTIVIDAD EN OHM METRO PARA CADA DISTANCIA (a)

RESISTIVIDAD = 2*π*a*R*

a = 2 4 6 8 10 12 CONFIGURACIÓN

C1-P2-P3-C4 209,86 135,72 131,95 85,45 0,00 0,00 P2-C1-C4-P3 54,04 37,70 3,77 542,87 0,00 0,00 C1-C4-P2-P3 40,21 20,11 56,55 688,64 0,00 0,00 P2-P3-C1-C4 89,22 22,62 64,09 211,12 0,00 0,00 C1-P2-C4-P3 90,48 45,24 162,11 507,68 0,00 0,00 P2-C1-P3-C4 149,54 50,27 101,79 85,45 0,00 0,00

Prom. Resistividad 105,56 51,94 86,71 353,53 0,00 0,00 Promedio total 170,34Ω -m

6.9.1.3 Observaciones: Se puede apreciar con los resultados anteriores que el sistema de puesta a tierra se encuentra en óptimas condiciones, ya que el valor de su resistencia está dentro del rango permitido por la norma IEEE para estaciones de telecomunicaciones (≤ 5 Ω).



6.9.2 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES BELLSOUTH TELEFONÍA CELULAR Las mediciones de resistencia y resistividad en esta estación se efectuaron el 16 de Marzo de 2002. La configuración de esta estación es la siguiente: Torre de 80 metros (Ver Anexo A-Fotografía 40) de altura, cuarto de equipos, cuarto de transformador, tanque de combustible, dos plantas de servicio con sus transferencias correspondientes y alimentación. 6.9.2.1 Medición de la Resistencia del SPAT Existente: Como se mencionó anteriormente, esta medición se realizó por el método de los tres electrodos. Los pozos de inspección son tratados con químicos a base de sales.

MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA TORRE BELLSOUTH 2ª ETAPA 80 m

MÉTODO DE LA CAÍDA DE POTENCIAL (DE LOS 3 PUNTOS)

FECHA: MARZO 16 DE 2002

EMPRESA: BELLSOUTH SEGUNDA ETAPA CIUDAD: CUNDINAMARCA SITIO DE MEDICIÓN: CERRO DE MANJUI EQUIPO UTILIZADO: MEGER KYORITSU Modelo 4102 y UNILAP

GEOX LEM RESULTADO DE LAS MEDICIONES

DISTANCIA DEL

ELECTRODO POTENCIAL(mts)

RESISTENCIA (OHMS)


CORRIENTE(mts) 20 3,91 40 20 3,39 40



La primera medición se realizó con el MEGER Análogo (Cortesía Internacional de Ingeniería) y la segunda medición con el digital (Ver Anexo A-Fotografía 31). El valor de la resistencia se mantuvo en 3,39 ohm. 6.9.2.2 Medición de la Resistividad del suelo: El método empleado como se mencionó anteriormente fue el Método de WENNER.

T O M A D E D A T O S D E R E S I S T I V I D A D ESTACIÓN DE BELLSOUTH


CONFIGURACIÓN C1-P2-P3-C4 25,8 6 0 0 0 0 P2-C1-C4-P3 25,6 6 0 0 0 0 C1-C4-P2-P3 0 6,2 0 0 0 0 P2-P3-C1-C4 0 6,2 0 0 0 0 C1-P2-C4-P3 12,5 0 0 0 0 0 P2-C1-P3-C4 12,7 0 0 0 0 0

Prom. Resistencia. 19,15 6,10 0,00 0,00 0,00 0,00

RESISTIVIDAD EN OHM METRO PARA C/DISTANCIA (a) RESISTIVIDAD = 2*π *a*R



Prom. Resistividad 240,65 153,31 0,00 0,00 0,00 0,00 Promedio total 196,98 Ω -m

6.9.2.3 Observaciones: Se puede apreciar con los resultados anteriores que el sistema de puesta a tierra se encuentra en óptimas condiciones, ya que el valor de su resistencia está dentro del rango permitido por la norma IEEE para estaciones de telecomunicaciones (≤ 5 Ω). Es preciso adecuar de una manera óptima las protecciones de sobretensión, ya que los limitadores que se encuentran en esta estación a la entrada de la alimentación no están protegiendo cuando hay transferencia.



6.9.3 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES CONSORCIO CANALES PRIVADOS NACIONALES DE TELEVISIÓN. Las mediciones de resistencia y resistividad en esta estación se efectuaron el 27 de abril de 2002. La configuración de esta estación es la siguiente: Torre de 120 metros de altura, cuarto de equipos, vivienda para operadores, dos antenas parabólicas sobre plancha, tanque de combustible, planta de servicio con transferencia automática y alimentación. 6.9.3.1 Medición de la Resistencia del SPAT Existente: Como se mencionó anteriormente, esta medición se realizó por el método de los tres electrodos. Los pozos de inspección son tratados con químicos a base de sales.

MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA TORRE CANALES PRIVADOS 120 m


FECHA: ABRIL 27 DE 2002

EMPRESA: CANALES PRIVADOS RCN-CARACOL T.V. CIUDAD: CUNDINAMARCA SITIO DE MEDICIÓN: CERRO DE MANJUI EQUIPO UTILIZADO: MEGER KYORITSU Modelo 4102


DISTANCIA DEL

ELECTRODO POTENCIAL(m)

RESISTENCIA (OHM)


CORRIENTE(m) 10 0,66 20 15 0,7 30 20 1 40 25 0,77 50



El valor promedio de la resistencia es de 0,78 ohm. 6.9.3.2 Medición de la Resistividad del suelo: El método empleado como se mencionó anteriormente fue el Método de WENNER.

T O M A D E D A T O S D E R E S I S T I V I D A D ESTACIÓN CONSORCIO CANALES PRIVADOS RCN Y CARACOL T.V.


CONFIGURACIÓN C1-P2-P3-C4 5,8 1,4 0 1,5 0 0 P2-C1-C4-P3 5,4 1,3 0 1,6 0 0 C1-C4-P2-P3 0 0,1 0 0 0 0 P2-P3-C1-C4 0 1 0 0 0 0 C1-P2-C4-P3 1,4 0,1 0 1,3 0 0 P2-C1-P3-C4 1,4 0,1 0 1,3 0 0



RESISTIVIDAD = 2*π *a*R



Prom. Resistividad 43,98 16,76 0,00 71,63 0,00 0,00

Promedio total 44,12 Ω -m 6.9.3.3 Observaciones: Se puede apreciar con los resultados anteriores que el sistema de puesta a tierra se encuentra en óptimas condiciones, ya que el valor de su resistencia está dentro del rango permitido por la norma IEEE para estaciones de telecomunicaciones (≤ 5 Ω). Se recomienda en esta estación que se aterrice la cerca al igual que las puertas de acceso y las escaleras de servicio; además, es importante que se instalen protecciones de sobretensión a la entrada y salida de la alimentación.



6.9.4 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES BURMÁN RADIO. Las mediciones de resistencia y resistividad en esta estación se efectuaron el 16 de Marzo de 2002. La configuración de esta estación es la siguiente: Dos Torres de 40 metros de altura y 30 metros aproximadamente, cuarto de equipos, vivienda para operadores, tanque de combustible, planta de servicio con transferencia y alimentación. 6.9.4.1 Medición de la Resistencia del SPAT Existente: Como se mencionó anteriormente, esta medición se realizó por el método de los tres electrodos. Los pozos de inspección son tratados con químicos a base de sales.

MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA TORRE BURMÁN RADIO 40 m



EMPRESA: BURMÁN RADIO CIUDAD: CUNDINAMARCA SITIO DE MEDICIÓN: CERRO DE MANJUI EQUIPO UTILIZADO: MEGER KYORITSU Modelo 4102


DISTANCIA DEL


RESISTENCIA (OHM)


CORRIENTE(m) 10 19 20 15 18 30 20 18 40 25 17,8 50

El valor promedio de la resistencia es de 18,2 ohm.



6.9.4.2 Medición de la Resistividad del suelo: El método empleado como se mencionó anteriormente fue el Método de WENNER.

T O M A D E D A T O S D E R E S I S T I V I D A D

ESTACIÓN DE BURMÁN

RESISTENCIA EN OHM PARA CADA DISTANCIA (a) a= 2 4 6 8 10 12

CONFIGURACIÓN

C1-P2-P3-C4 32 18,7 16,1 19,5 17 0 P2-C1-C4-P3 31,8 18,9 15,9 19,5 0 0 C1-C4-P2-P3 0 0 0 0 0 0 P2-P3-C1-C4 0 0 0 0 0 0 C1-P2-C4-P3 24,3 12 9,2 14,4 10 0

P2-C1-P3-C4 24 12,4 9 0 0 0


RESISTIVIDAD EN OHM METRO PARA CADA DISTANCIA (a) RESISTIVIDAD = 2* π *a*R

a= 2 4 6 8 10 12

CONFIGURACIÓN C1-P2-P3-C4 402,12 469,98 606,96 980,18 1068,14 0,00 P2-C1-C4-P3 399,61 475,01 599,42 980,18 0,00 0,00 C1-C4-P2-P3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 P2-P3-C1-C4 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 C1-P2-C4-P3 305,36 301,59 346,83 723,82 628,32 0,00 P2-C1-P3-C4 301,59 311,65 339,29 0,00 0,00 0,00

Prom. Resistividad 352,17 389,56 473,12 894,73 848,23 0,00

Promedio total 591,56 Ω -m

6.9.4.3 Observaciones: Se puede apreciar con los resultados anteriores que el sistema de puesta a tierra debe rediseñarse, ya que el valor de su resistencia está por encima del rango permitido por la norma IEEE para estaciones de telecomunicaciones (≤ 5 Ω). Se recomienda en esta estación: aterrizar las torres, ya que una de ellas no lo está, y las puertas de acceso de servicio, instalar sistema de refrigeración en el cuarto de equipos, aterrizar adecuadamente los equipos así como las guías de onda y canaletas, instalar planta de servicio e instalar protecciones de sobretensión a la entrada y salida de la alimentación.



6.9.4.4 Cálculo de la Resistencia para el sistema integral de Puesta a tierra de la estación de telecomunicaciones BURMÁN Radio

Los cálculos descritos a continuación se basan de acuerdo a la Norma IEEE 80 de 1986.

Los valores de las constantes K1 y K2 están contemplados en el Anexo B

R1= Resistencia del conductor <en ohms>R2= Resistencia de todas las varillas <en ohms>R12= Resistencia mutua entre R1 y R2 <en ohms>

Resistencia de la malla a tierra (Rm) - Swcharz

1221

122

21

2RRRRRR

Rm−+

−=

−

+

= 2

11

1

1

11 '

2ln KA

LK

hL

LR

πρ

( )

−

+−

=

221

2

2

22 1218ln

2n

AL

KdL

LnR a

πρ

+−

+

= 12ln 2

11

2

1

112 K

A

LK

LL

LR a

πρ



4,85

19,92

31,64

Resistencia de la malla a tierra <en ohms> - Swcharz Rm

Resistencia de todas las varillas <en ohms> R2

Resistencia mutua entre R1 y R2 <en ohms> R12

Constante que depende de la geometría del terreno K2

70

2,4

0,8

0,09

20,84

d2Diámetro de las varillas en m

591,56

591,56

591,56

1

R1Resistencia del conductor <en ohms>


Diámetro del conductor de la malla en m d1

Area cubierta por la malla de dimensiones axb y circunferencia en m2 A

Número de varilla ubicadas en el área A n

Resistividad aparente vista por las varillas <ohms-m>

Profundidad de la capa superior <m> H

1,12

Resistividad desde H hacia la profundidad <ohms-m>

Longitud total de la malla <m> L1

Promedio de la longitud de las varillas <m> L2

Profundidad de enterramiento de la malla <m> h

Para conductores enterrados a una profundidad h; 0,5 d1, para h=0 <m>

Resistividad de los conductores de la malla a una profundidad h < ohms-m>

16,62

0,0104

0,015

173

10

hdh *' 1=

1ρ

aρ

2ρ



Rac = Resistencia del acero de refuerzo <en ohms>

RESISTENCIA DEL ELECTRODO FORMADO POR EL ACERO DE REFUERZO DE LOS CIMIENTOS

+=

LRac c

141

δπρ

Longitud del electrodo (Acero del edificio en metros más el de la torre en metros)

8,00

L' 960

Rac = Resistencia del acero de refuerzo <en ohms> 20,49

Densidad aproximada del acero de refuerzo en m/m2 Da

Rac

173,00

Area del terreno que debe aterrizar - cimientos en m2 (Area de contacto) A1 120,00

Area superficial que cubre la malla en m2

591,56Resistividad del medio donde se encuentra incrustado el electrodo (ohmio-metro) cρ

δ

R varilla = Resistencia del electrodo o varilla <en ohms>

RESISTENCIA DE UN ELECTRODO

−= 14

2var

dL

LnL

illaRπρ



Resistencia de Puesta a Tierra de un Electrodo con GAF

V varilla= Volumen de la barra o varilla (V v)

V hueco= Volumen del hueco (Vh)

)1(** 2 += LrVhueco π

LrillaV **var 2π=

ft3

23,58ft3

0,015

dh

0,8

Volumen del Hueco (m3)

Volumen de la varilla (m3)

Vh

Vv

0,6675884

0,0004241

Diámetro del hueco <metros>

Resistividad del GAF <ohms-metros>:

0,5

GAFρ

591,56

0,015

2,4Longitud del electrodo o varilla (en metros) L

R varilla = Resistencia del electrodo o varilla <en ohms> R v

Diámetro de la varilla (en metros) d

214,25

Resistividad del suelo <ohms-m>ρ



Sacos de GAF requerido <25 lbs/saco> (SGAF)

Sacos de GAF requerido <25 lbs/saco> (SGAF) S GAF 31,4

25.1

.

−

=vVVh

SGAF

CALCULO DE LA RESISTENCIA DE PAT DEL ELECTRODO CON GAF

R' vGAF= Resistencia de un electrodo o varilla con GAF (Ohms)

RvGAF= Resistencia de un electrodo o varilla con GAF después

del tratamiento químico (Ohms),

−−

−+

−= 14

214

214

2'

dhL

LnLd

LLn

LdhL

LnL

vR GAFGAFGAF π

ρπ

ρπρ

GAFGAF vRRv '= * FACTOR DE TRATAMIENTO



tratamiento químico (Ohms) RvGAF 15,38

FACTOR DE TRATAMIENTO Ft 0,2

Resistencia de un electrodo o varilla con GAF después del

Resistencia de un electrodo o varilla con GAF (Ohms) 76,88R' vGAF

RV= Resistencia del electrodo o varilla de la PAT en Ohms

RvGAF= Resistencia del electrodo o varilla con GAF despés del tratamiento

químico (Ohms)

Rac= Resistencia del acero de Refuerzo en Ohms.

RESISTENCIA TOTAL DEL SISTEMA

Rm= Resistencia de la Malla a Tierra en Ohms

N = Número de pozos requeridos

RacRvNRvRm

RT

GAF

1*

1111

+++=

RT 4,28

N 2

Resistencia Total del Sistema (Ohms)

Número de Pozos requeridos



6.9.5 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES AERONÁUTICA CIVIL.

Las mediciones de resistencia y resistividad en esta estación se efectuaron el 16 de Marzo de 2002. La configuración de esta estación es la siguiente: Torre de 45 metros de altura (Ver anexo A-Fotografía 41), cuarto de equipos, vivienda para operadores, cuarto del generador. 6.9.5.1 Medición de la Resistencia del SPAT Existente: Como se mencionó anteriormente, esta medición se realizó por el método de tres electrodos.

MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA TORRE AERONÁUTICA CIVIL 45 m



EMPRESA: AERONÁUTICA CIVIL CIUDAD: CUNDINAMARCA SITIO DE MEDICIÓN: CERRO DE MANJUI EQUIPO UTILIZADO: MEGER KYORITSU Modelo 4102


DISTANCIA DEL


RESISTENCIA (OHM)


CORRIENTE (m) 10 22 20 15 22,3 30 20 20 40 25 20,1 50




6.9.5.2 Medición de la Resistividad del suelo: El método empleado como

se mencionó anteriormente fue el Método de WENNER.

T O M A D E D A T O S D E R E S I S T I V I D A D ESTACIÓN DE AERONÁUTICA CIVIL

RESISTENCIA EN OHM PARA CADA DISTANCIA (a) a= 2 4 6 8 10 12

CONFIGURACIÓN C1-P2-P3-C4 28,3 9,14 4,88 4,48 0,7 0 P2-C1-C4-P3 29,1 9,19 4,68 3,22 3,11 0 C1-C4-P2-P3 0 0,01 0 1,18 1,04 0 P2-P3-C1-C4 0 0,1 0 0 0 0 C1-P2-C4-P3 17,2 1,15 3,38 2,23 0,9 0 P2-C1-P3-C4 18,5 0,4 3,58 2,51 1,21 0



RESISTIVIDAD = 2πaR

a= 2 4 6 8 10 12 CONFIGURACIÓN


Prom. Resistividad 292,48 83,73 155,70 136,92 87,46 0,00 Promedio total 151,26 Ω -m

6.9.5.3 Observaciones: Se puede apreciar con los resultados anteriores que el sistema de puesta a tierra debe rediseñarse, ya que el valor de su resistencia está por encima del rango permitido por la norma IEEE para estaciones de telecomunicaciones (≤ 5 Ω). Se recomienda en esta estación que se aterrice la cerca al igual que las puertas de acceso, instalar refrigeración para el cuarto de equipos, diseñar e instalar un anillo interior o halo, instalar bandeja portacables para llevar las guías de onda desde la torre hasta el edificio, siendo importante que se instalen protecciones de sobretensión a la entrada y salida de la alimentación.



6.9.5.4 Cálculo de la Resistencia para el sistema integral de Puesta a tierra de la estación de telecomunicaciones AERONÁUTICA CIVIL

Los cálculos descritos a continuación se basan de Acuerdo a la Norma IEEE 80 de 1986, y a estudios y cálculos efectuados por Swcharz.



1221

122

21

2RRRRRR

Rm−+

−=

−

+

= 2

11

1

1

11 '

2ln KA

LK

hL

LR

πρ

( )

−

+−

=

221

2

2

22 1218ln

2n

AL

KdL

LnR a

πρ

+−

+

= 12ln 2

11

2

1

112 K

A

LK

LL

LR a

πρ




3,86

0,0104

0,015

196

7

1,06













151,26

151,26

151,26

1

R12


95,65

2,4

0,8

0,09

6,14


4,95

5,54

10,23



Resistencia mutua entre R1 y R2 <en ohms>

hdh *' 1=

1ρ

aρ

2ρ





+=

LRac c

141

δπρ


8,00

L' 1048



Rac

196,00



151,26Resistividad del medio donde se encuentra incrustado el electrodo (ohmio-metro) cρ

δ



−= 14

2var

dL

LnL

illaRπρ







LrillaV **var 2π=

ft33,77ft3

0,015

dh

0,8



Vh

Vv

0,10681415

0,00042412



0,2

GAFρ

Resistividad del suelo <ohms-m> 151,26

0,015



ρ

54,78R varilla = Resistencia del electrodo o varilla <en ohms> R v




25.1

.

−

=vVVh

SGAF

Sacos de GAF requerido <25 lbs/saco> (SGAF ) S GAF 5,0


R' v GAF= Resistencia de un electrodo o varilla con GAF (Ohms)

RvGAF = Resistencia de un electrodo o varilla con GAF después


−−

−+

−= 14

214

214

2'

dhL

LnLd

LLn

LdhL

LnL

vR GAFGAFGAF π

ρπ

ρπρ




después del tratamiento químico (Ohms) RvGAF 5,79


Resistencia de un electrodo o varilla con GAF




químico (Ohms)





RacRvNRvRm

RT

GAF

1*

1111

+++=

RT 1,74

N 1





6.9.6 ESTACIÓN DE TELECOMUNICACIONES RCN RADIO. Las mediciones de resistencia y resistividad en esta estación se efectuaron el 27 de Abril de 2002. La configuración de esta estación es la siguiente: Torre de 60 metros de altura, cuarto de equipos, vivienda para operadores, tanque de combustible, planta de servicio y alimentación, 6.9.6.1 Medición de la Resistencia del SPAT Existente: Como se mencionó anteriormente, esta medición se realizó por el método de tres electrodos.

MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA TORRE RCN RADIO 60 m


FECHA: ABRIL 27 DE 2002

EMPRESA: RCN RADIO CIUDAD: CUNDINAMARCA SITIO DE MEDICIÓN: CERRO DE MANJUI EQUIPO UTILIZADO: MEGER KYORITSU Modelo 4102


DISTANCIA DEL


RESISTENCIA (OHM)


CORRIENTE (m) 5 13 10 10 11,7 20 20 10,9 40 25 9,6 50




6.9.6.2 Medición de la Resistividad del suelo: El método empleado como se mencionó anteriormente fue el Método de WENNER.

T O M A D E D A T O S D E R E S I S T I V I D A D

ESTACIÓN RCN RADIO RESISTENCIA EN OHM PARA CADA DISTANCIA (a)

a= 2 4 6 8 10 12

CONFIGURACIÓN C1-P2-P3-C4 3,6 2,1 0 1 0 0 P2-C1-C4-P3 3,7 1 0 9,8 0 0 C1-C4-P2-P3 0,9 0,5 0 0 0 0 P2-P3-C1-C4 1 0,5 0 0 0 0 C1-P2-C4-P3 0 1 0 9,56 0 0 P2-C1-P3-C4 0 1,1 0 1 0 0

Prom. resistencia. 2,30 1,03 0,00 5,34 0,00 0,00 RESISTIVIDAD EN OHM METRO PARA CADA DISTANCIA (a) RESISTIVIDAD = 2*π*a*R*

a= 2 4 6 8 10 12 CONFIGURACIÓN

C1-P2-P3-C4 45,24 52,78 0,00 50,27 0,00 0,00P2-C1-C4-P3 46,50 25,13 0,00 492,60 0,00 0,00C1-C4-P2-P3 11,31 12,57 0,00 0,00 0,00 0,00P2-P3-C1-C4 12,57 12,57 0,00 0,00 0,00 0,00C1-P2-C4-P3 0,00 25,13 0,00 480,54 0,00 0,00P2-C1-P3-C4 0,00 27,65 0,00 50,27 0,00 0,00

Prom. Resistividad 28,90 25,97 0,00 268,42 0,00 0,00 promedio total 107,76 Ω -m

6.9.6.3 Observaciones: Se puede apreciar con los resultados anteriores que el sistema de puesta a tierra debe rediseñarse, ya que el valor de su resistencia está por encima del rango permitido por la norma IEEE para estaciones de telecomunicaciones (≤ 5 Ω). Se recomienda en esta estación que se aterrice la cerca al igual que las puertas de acceso, instalar refrigeración para el cuarto de equipos, diseñar e instalar un anillo interior o halo, aterrizar las cuatro patas de la Torre, es importante que se instalen protecciones de sobretensión a la entrada y salida de la alimentación.



6.9.6.4 Cálculo de la Resistencia para el sistema integral de Puesta a tierra de la estación de telecomunicaciones RCN Radio.

los cálculos descritos a continuación se basan de Acuerdo a la Norma IEEE 80 de 1986, y a estudios y cálculos efectuados por Swcharz.



1221

122

21

2RRRRRR

Rm−+

−=

−

+

= 2

11

1

1

11 '

2ln KA

LK

hL

LR

πρ

( )

−

+−

=

221

2

2

22 1218ln

2n

AL

KdL

LnR a

πρ

+−

+

= 12ln 2

11

2

1

112 K

A

LK

LL

LR a

πρ



4,85

4,77

7,40



Resistencia mutua entre R1 y R2 <en ohms> R12


95

2,4

0,8

0,09

5,88


107,76

107,76

107,76

1








1,34







3,07

0,0104

0,015

255

7

hdh *' 1=

1ρ

aρ

2ρ





+=

LRac c

141

δπρ

107,76Resistividad del medio donde se encuentra incrustado el electrodo (ohmio-metro)

255,00



8,00

L' 1280



Rac


cρ

δ



−= 14

2var

dL

LnL

illaRπρ



107,76

0,015



Resistividad del suelo <ohms-m> ρ

R varilla = Resistencia del electrodo o varilla <en ohms> R v 39,03





LrillaV **var 2π=

ft3

3,77ft3

0,015



0,2

0,8



Vh

Vv

0,10681415

0,00042412

dh

GAFρ




25.1

.

−

=vVVh

SGAF

Sacos de GAF requerido <25 lbs/saco> (SGAF) S GAF 5,0



R' vGAF = Resistencia de un electrodo o varilla con GAF (Ohms)

RvGAF= Resistencia de un electrodo o varilla con GAF después

−−

−+

−= 14

214

214

2'

dhL

LnLd

LLn

LdhL

LnL

vR GAFGAFGAF π

ρπ

ρπρ





después del tratamiento químico (Ohms) RvGAF 4,13


Resistencia de un electrodo o varilla con GAF






químico (Ohms)


RacRvNRvRm

RT

GAF

1*

1111

+++=



RT 1,25

N 1



6.9.7 CALCULO DE LA MALLA DE ENLACE (Ver Anexo C) Para realizar este cálculo se tomaron los valores de resistencia de los Sistemas de Puesta a Tierra integral de las subestaciones más cercanas las cuales fueron: RCN Radio (R1), Consorcio de Canales Nacionales Privados (R2), BELLSOUTH Telefonía Celular (R3), Aeronáutica Civil (R4) y la Resistencia calculada en función de la longitud (L) total del cable de enlace (R5). Ver Anexo C – Plano No. 4. Para realizar el enlace hay que tener en cuenta que en cada unión exista equipotencialidad, esto garantizara que el sistema se mucho más integral.

51

41

31

21

11

1

RRRRR

REnlace

++++=

R5 se calcula para un cable horizontal enterrado cuya longitud es 2L y una profundidad de s/2.

+−+−+=

4

4

2

25

51216224ln2ln

45

Ls

Ls

Ls

sL

aL

LR

πρ

ρ5= Resistividad Promedio formada por las resistividades de las estaciones que forman la malla de enlace RCN Radio = 107,76 Ω - m Consorcio – Canales Privados = 44,12 Ω - m Aeronáutica Civil = 151,26 Ω - m Bellsouth = 196,98 Ω - m PROMEDIO = 125,03 Ω - m a = radio del cable (2/0 AWG) = 0,0075 m Profundidad de enterramiento del cable en el terreno = 1 m Longitud del cable de la malla de enlace = 65 m + 135 m +21 m =221 m (Ver Anexo C – Plano No. 4)



Entonces: s/2 = 1 m s = 2 x 1 m s = 2 m 2L = 221 m L = 221 m / 2 L = 110,5 m

+−+−+=

4

4

2

2

)5,110(5122

)5,110(162

)5,110(222

2)5,110(4ln

0075,0)5,110(2ln

5,110**403,1255

πR

24,11

74,11

39,31

78,01

1,251

1 +

Ω+

Ω+

Ω+

Ω

=EnlaceR

Ω= 0,27 EnlaceR

Se puede observar que el valor obtenido de la resistencia de la malla de enlace cumple con los requerimientos estipulados por las normas de diseño de Sistemas de Puesta a Tierra para estaciones de Telecomunicaciones.



7. CONCLUSIONES Por el hecho de que la resistencia del Sistema de Puesta a Tierra esté en los niveles pertinentes o sugeridos por las Normas, no quiere decir que el sistema esté protegido de una manera adecuada. Todos los puntos de la Puesta a tierra deben estar a igual potencial o equipotencializados y las protecciones ya sea de sobrecorriente o sobretensión deben estar en coordinación con la Puesta a tierra Para obtener una instalación de Puesta a Tierra estable de gran capacidad dispersora y larga duración, se podrá utilizar un electrodo resistente a la corrosión con un relleno natural neutro y conductivo, que además no es tóxico. En cuanto a los materiales, no consideran más que al Cobre y al Aluminio, como materia prima para los componentes de un Sistemas de Puestas a Tierra (SPAT), pero son igualmente aplicables otras aleaciones como Bronce y Acero Inoxidable. Comparando los resultados de esta investigación con las dimensiones dadas en las normas acreditadas más conocidas, se observa que los aquí presentados se encuentran dentro del amplio margen, que entre dichas normas dimensionan los componentes de los Sistemas de Puestas a Tierra. Aunque algunas de las estaciones de telecomunicaciones en el Cerro de Manjui presentaban una buena resistencia del Sistema de Puesta a Tierra y una resistividad del terreno relativamente baja a temperatura ambiente, tales como INRAVISIÓN, BELLSOUTH TELEFONÍA CELULAR Y CONSORCIO CANALES NACIONALES PRIVADOS RCN Y CARACOL T.V., tienen deficiencias o elementos faltantes para que el Sistema de Puesta a Tierra sea óptimo e integral. En la estación de telecomunicaciones de CONSORCIO CANALES PRIVADOS T.V., el Sistema de Puesta a Tierra está desprotegido en la entrada y salida de la alimentación ya que carece de protección contra sobretensiones o limitadores de sobretensión. Si se llegase a presentar alguna



sobretensión de tipo Atmosférico o Interna, los equipos tanto electrónicos como mecánicos estarán expuestos a sobretensiones que pueden ser averiados o ser destruidos; además las escaleras de servicio al igual que las puertas metálicas y malla de delimitación de la estación no están aterrizadas a la Puesta a Tierra existente. En la estación de telecomunicaciones de BELLSOUTH TELEFONÍA CELULAR, el Sistema de Puesta a tierra es bastante bueno y en general cumple con las normas nacionales e internacionales para Sistemas de Puestas a Tierra, aunque se encontró una falla en la alimentación: los limitadores de sobretensión que tiene la estación en su entrada de alimentación únicamente protegen durante servicio normal pero al hacer la transferencia la planta de servicio entra a funcionar sin protecciones, esto debido a la no conexión de los protecciones de sobretensión a la entrada de la red como a la planta de servicio. Para interconectar estaciones de telecomunicaciones como se realizó en este proyecto con RCN RADIO, CONSORCIO CANALES PRIVADOS, AERONÁUTICA CIVIL Y BELLSOUTH TELEFONÍA CELULAR, se debe tener en cuenta la distancia entre estaciones hasta una distancia viable económicamente, la distribución de las estaciones en la zona, que haya equipotencialidad en todos los puntos de interconexión y cumpla con las características de las normas internacionales. Se evitan las celdas de macrocorrosión al rellenar las excavaciones de instalación con una misma mezcla de materiales de relleno que presenta resistividad uniforme. Cuando los electrodos utilizados son de Cobre sus ampliaciones o mejoramientos deben ser también de Cobre, para evitar las celdas de corrosión bimetálica que destruyen el metal más electronegativo. La agresividad del suelo o de los rellenos con sales sobre los electrodos de Puesta a Tierra diferentes al Cobre, se manifiesta a través de la rápida e inevitable corrosión que propicia el incremento de su resistencia de dispersión y su destrucción a corto o mediano plazo.



Toda instalación de Puesta a Tierra debe ser compatible a exigencias que por naturaleza son favorables al fenómeno de corrosión, con otras que son contrarias que están orientadas a la preservación de los electrodos y su correcto funcionamiento. Se debe aumentar la protección externa contra rayos, reduciendo la amplitud de la malla en la instalación captadora y aumentando el número de puntas (electrodos) en todos los edificios e instalaciones. Se debe formar una malla entre las distintas barras equipotenciales de la edificación, para conseguir un potencial superficial único. Es conveniente montar descargadores de alta potencia en la entrada de corriente al edificio, conectándolos a tierra en la barra equipotencial correspondiente. Es posible embeber en concreto conductores desnudos de Cobre (bajantes). El Cobre y el Acero de armado dentro del concreto son electroquímicamente compatibles. En el programa del cálculo del Sistema de Puesta a tierra no se analiza el gradiente de potencial , dejando éste para una futura investigación. En este trabajo se toma la resistividad como un promedio. Para futuras investigaciones se recomienda hacer un estudio detallado de la resistividad del terreno teniendo en cuenta las capas del suelo que lo componen.



BIBLIOGRAFÍA ACIEM. PETTORUTI, Luis Alberto. Medición de resistencia de puesta a tierra y resistividad. Megabras Industria Eléctrica Ltda. Conferencia Internacional Colombia. Bogotá 28 – 30 Junio 2001. ACIEM. MARTÍNEZ, Miguel. Modelación digital de sistemas de puesta a tierra. Universidad Simón Bolívar. Laboratorio de alta tensión: Caracas Venezuela. Conferencia Internacional Colombia. Bogotá 28 – 30 Junio 2001. BALCELLS, Joseph; FRANCESC, Daura; ESPERANZA, Rafael y DALLAS, Ramón. Interferencias electromagnéticas en sistemas electrónicos, En Serie Mundo Eléctrico. 2000 CASAS, Favio. Tierras soporte de la seguridad eléctrica. Bogotá: Segelectrica 1988. 173p DÍAZ, Pablo. Soluciones prácticas para la puesta a tierra de sistemas eléctricos de distribución. México: Mc Graw Hill 2001.1-11p. 31-54p. 55-69p. 189-211p. 215-230p. 297-31p. -----------------. Puesta a tierra un enfoque práctico basado en el “NEC” Technical Director- Grounding Technologies Inc. Post Falls, Idaho. USA. FORERO, Juan Carlos; VIAÑA, José Luis y AMORTEGUI, Francisco. Especificación de los componentes del sistema de protección externo contra rayos, Universidad Nacional de Colombia, Grupo de investigación en protecciones y sistemas de puesta a tierra Ingeniería Eléctrica, Ciudad Universitaria edificio 453-222, GARCÍA LAMPREA, Nubia Rocío. Investigación y análisis de los fenómenos eléctricos que se presentan en el sistema de puesta a tierra de los equipos del banco de la república. Trabajo de grado: Universidad de la Salle 1999. HART, W.C. y MALONE, E.W. Lightning and lightning protection. Don White Consultants Inc.



IBÁÑEZ, Henry Felipe y LEÓN, Hernán Darío. Sistemas de protección contra descargas atmosféricas para los equipos de telepuerto en Colombia. Trabajo de grado. Universidad Nacional de Colombia – 1994 IEEE. Standard Dictionary of Electrical and Electronic Terms IEEE. AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE. Guide for safety in A.C. substation grounding. ANSI/IEEE Std 80-1986 IEEE. Guide for measuring earth resistivity, ground impedance, and earth surface potentials of a ground system. ANSI/IEE Std 81 - 1983 INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISIÓN IEC. Norma IEC 1024-1 Sistemas de Protección para Descargas Atmosféricas. INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISIÓN IEC. Norma IEC 61024 Implementación, mantenimiento y Diseño de Sistemas de Protección para Estructuras comunes contra Descargas Atmosféricas. INSTITUTO DE NORMAS TÉCNICAS COLOMBIANAS Y CERTIFICACIÓN. Norma Técnica Colombiana NTC 3582. Puestas a tierra Bogotá: ICONTEC 2000 INSTITUTO DE NORMAS TÉCNICAS COLOMBIANAS Y CERTIFICACIÓN. Norma Técnica Colombiana NTC 4171. Telecomunicaciones nuevas tecnologías continuidad de tierras para construcciones de telecomunicaciones. Bogotá: ICONTEC 2000 INSTITUTO DE NORMAS TÉCNICAS COLOMBIANAS Y CERTIFICACIÓN. Norma Técnica Colombiana NTC 4544. Telecomunicaciones: ICONTEC 1998 INSTITUTO DE NORMAS TÉCNICAS COLOMBIANAS Y CERTIFICACIÓN. Norma Técnica Colombiana NTC 1486. Presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigación: ICONTEC 2002, INSTITUTO DE NORMAS TÉCNICAS COLOMBIANAS Y CERTIFICACIÓN. Norma Técnica Colombiana NTC 1075. Numeración de divisiones y subdivisiones en documentos escritos: ICONTEC 2002.



INSTITUTO DE NORMAS TÉCNICAS COLOMBIANAS Y CERTIFICACIÓN. Norma Técnica Colombiana NTC 1308. referencias bibliograficas para publicaciones seriadas: ICONTEC 2002. INSTITUTO DE NORMAS TÉCNICAS COLOMBIANAS Y CERTIFICACIÓN. Norma Técnica Colombiana NTC 1307. Referencias bibliograficas para normas: ICONTEC 2002. NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION, NFPA. Lightning protection. Code NFPA 78 – 1986. PROCOBRE CHILE. Sistemas de puesta a tierra. Chile 2001 PENAGOS, Julio Cesar y QUINTANA, Carlos Ariel. Puesta a tierra de la protección contra rayos en instalaciones eléctricas. Trabajo de grado: Universidad Nacional de Colombia. 1995. VARGAS ÁVILA, Pedro A. y OSPINA CASAS, Favio. Técnicas en medición de sistemas de puesta a tierra. Mundo Eléctrico Colombiano: No 40. 1552-155p. 2001 VARGAS ÁVILA, Pedro A. Manual de técnicas en medición de sistemas de puesta a tierra, Trabajo de Grado: Ingeniería Eléctrica. Universidad de la Salle –2000. YANQUE M, Justo. Cconferencias: Memorias Curso Avanzado SPT, Resistividad de Terrenos, Corrosión en Electrodos de Puesta a Tierra. Prof. Principal FIEE-UNI, Consultor.



.



Anexo A. Fotografías.

A continuación se enumeran un total de 48 fotografías tomadas de los diferentes componentes que hacen parte de un Sistema de Puesta a Tierra en las diferentes estaciones de telecomunicaciones ubicadas en el Cerro de Manjui Colombia. Cada fotografía posee su explicación al respaldo de cada una de ellas



Anexo B. Determinación del coeficiente K1 para la fórmula de Schuwarz

Curva A: Para profundidad = 0 YA = -0.04x + 1.41

Curva B: Para profundidad = 1/10 Área

YB = -0.05x + 1.20

Curva C: Para profundidad = 1/16 Área YC = -0.05 + 1.13



Anexo B. Determinación del coeficiente K2 para la fórmula de Schuwarz

Curva A: Para profundidad = 0 YA = 0.15x + 5.50

Curva B: Para profundidad = 1/10 Área

YB = 0.10x + 4.68

Curva C: Para profundidad = 1/16 Área YC = -0.05 + 4.40



Anexo C. Planos

Plano 1. Rediseño del Sistema de Puesta a Tierra para la estación de telecomunicaciones de la Aeronáutica Civil. Plano 2. Rediseño del Sistema de Puesta a Tierra para la estación de telecomunicaciones de RCN Radio. Plano 3. Rediseño del Sistema de Puesta a Tierra para la estación de telecomunicaciones de Burman Radio. Plano 4. Interconexión a una malla de enlace de las estaciones de telecomunicaciones más cercanas, BELLSOUTH, RCN Radio, AERONAUTICA CIVIL y CONSORCIO DE CANALES NACIONALES PRIVADOS RCN Y CARACOL T.V.

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