La protección contra rayos es un aspecto clave de las organizaciones que operan equipos eléctricos sensibles, especialmente en la industria de la radiodifusión.Relacionado con la primera línea de defensa contra rayos y sobretensiones está el sistema de puesta a tierra.A menos que se diseñe e instale correctamente, cualquier protección contra sobretensiones no funcionará.
Uno de nuestros sitios de transmisión de TV está ubicado en la cima de una montaña de 900 pies de altura y es conocido por experimentar tormentas eléctricas.Recientemente me asignaron la gestión de todos nuestros sitios de transmisión;por lo tanto, el problema me pasó a mí.
Un rayo en 2015 provocó un corte de energía y el generador no dejó de funcionar durante dos días consecutivos.Tras la inspección, descubrí que el fusible del transformador de la red pública se había fundido.También noté que la pantalla LCD del interruptor de transferencia automática (ATS) recién instalada está en blanco.La cámara de seguridad está dañada y el programa de vídeo del enlace de microondas está en blanco.
Para empeorar las cosas, cuando se restableció el suministro eléctrico, el ATS explotó.Para que volviéramos a emitir, me vi obligado a cambiar el ATS manualmente.La pérdida estimada es de más de 5.000 dólares.
Misteriosamente, el protector contra sobretensiones trifásico de 480 V LEA no muestra signos de funcionar en absoluto.Esto ha despertado mi interés porque debería proteger todos los dispositivos del sitio de este tipo de incidentes.Afortunadamente, el transmisor es bueno.
No existe documentación para la instalación del sistema de puesta a tierra, por lo que no puedo entender el sistema ni la pica de puesta a tierra.Como se puede ver en la Figura 1, el suelo en el sitio es muy delgado y el resto del suelo debajo está hecho de roca Novaculita, como un aislante a base de sílice.En este terreno las picas de tierra habituales no sirven, necesito determinar si han instalado una pica de tierra química y si aún está dentro de su vida útil.
Hay muchos recursos sobre la medición de la resistencia del suelo en Internet.Para realizar estas mediciones, elegí el medidor de resistencia a tierra Fluke 1625, como se muestra en la Figura 2. Es un dispositivo multifuncional que puede usar solo la varilla de tierra o conectar la varilla de tierra al sistema para realizar mediciones de conexión a tierra.Además de esto, hay notas de aplicación que las personas pueden seguir fácilmente para obtener resultados precisos.Este es un medidor caro, así que alquilamos uno para hacer el trabajo.
Los ingenieros de radiodifusión están acostumbrados a medir la resistencia de las resistencias y solo una vez obtendremos el valor real.La resistencia del suelo es diferente.Lo que buscamos es la resistencia que proporcionará el terreno circundante cuando pase la sobrecorriente.
Utilicé el método de "caída de potencial" para medir la resistencia, cuya teoría se explica en la Figura 1 y la Figura 2. 3 a 5.
En la Figura 3, hay una pica de tierra E de una profundidad dada y un pilote C con una cierta distancia de la pica de tierra E. La fuente de voltaje VS está conectada entre los dos, lo que generará una corriente E entre el pilote C y el varilla de tierra.Utilizando un voltímetro podemos medir la tensión VM entre ambos.Cuanto más cerca estemos de E, menor será el voltaje VM.VM es cero en la varilla de tierra E. Por otro lado, cuando medimos el voltaje cerca del pilote C, VM se vuelve alto.En el valor C, VM es igual a la fuente de voltaje VS.Siguiendo la ley de Ohm, podemos utilizar el voltaje VM y la corriente C causada por VS para obtener la resistencia a tierra de la tierra circundante.
Suponiendo que, por el bien de la discusión, la distancia entre la varilla de tierra E y el pilote C es de 100 pies, y el voltaje se mide cada 10 pies desde la varilla de tierra E hasta el pilote C. Si traza los resultados, la curva de resistencia debería verse como en la Figura 4.
La parte más plana es el valor de la resistencia a tierra, que es el grado de influencia de la varilla de tierra.Más allá de eso hay parte de la vasta tierra, y las corrientes de oleada ya no penetrarán.Teniendo en cuenta que la impedancia es cada vez mayor en este momento, esto es comprensible.
Si la varilla de tierra tiene 8 pies de largo, la distancia del pilote C generalmente se establece en 100 pies y la parte plana de la curva es de aproximadamente 62 pies.No se pueden cubrir más detalles técnicos aquí, pero se pueden encontrar en la misma nota de aplicación de Fluke Corp.
La configuración con Fluke 1625 se muestra en la Figura 5. El medidor de resistencia a tierra 1625 tiene su propio generador de voltaje, que puede leer el valor de resistencia directamente desde el medidor;no es necesario calcular el valor en ohmios.
Leer es la parte fácil y la parte difícil es controlar el voltaje.Para obtener una lectura precisa, la varilla de tierra se desconecta del sistema de tierra.Por razones de seguridad, nos aseguramos de que no haya posibilidad de rayos o mal funcionamiento en el momento de la finalización, ya que todo el sistema queda flotando en el suelo durante el proceso de medición.
Figura 6: Varilla de tierra Lyncole System XIT.El cable desconectado que se muestra no es el conector principal del sistema de puesta a tierra de campo.Principalmente conectado bajo tierra.
Mirando a mi alrededor, encontré la varilla de tierra (Figura 6), que de hecho es una varilla de tierra química producida por Lyncole Systems.La varilla de tierra consta de un orificio de 8 pulgadas de diámetro y 10 pies lleno de una mezcla de arcilla especial llamada Lynconite.En el medio de este agujero hay un tubo de cobre hueco de la misma longitud con un diámetro de 2 pulgadas.El Lynconite híbrido proporciona una resistencia muy baja a la varilla de tierra.Alguien me dijo que en el proceso de instalación de esta varilla se utilizaron explosivos para hacer agujeros.
Una vez implantados en el suelo los pilotes de tensión y corriente, se conecta un cable de cada pilote al medidor, donde se lee el valor de resistencia.
Obtuve un valor de resistencia a tierra de 7 ohmios, que es un buen valor.El Código Eléctrico Nacional requiere que el electrodo de tierra sea de 25 ohmios o menos.Debido a la naturaleza sensible del equipo, la industria de las telecomunicaciones normalmente requiere 5 ohmios o menos.Otras grandes plantas industriales requieren una menor resistencia del suelo.
Como práctica, siempre busco consejos y opiniones de personas con más experiencia en este tipo de trabajo.Pregunté al soporte técnico de Fluke sobre las discrepancias en algunas de las lecturas que obtuve.Dijeron que a veces las estacas pueden no hacer buen contacto con el suelo (quizás porque la roca es dura).
Por otro lado, Lyncole Ground Systems, el fabricante de picas de tierra, afirmó que la mayoría de las lecturas son muy bajas.Esperan lecturas más altas.Sin embargo, cuando leo artículos sobre varillas de tierra, se produce esta diferencia.Un estudio que tomó mediciones cada año durante 10 años encontró que entre el 13 y el 40% de sus lecturas eran diferentes de otras lecturas.También usaron las mismas varillas de tierra que usamos nosotros.Por lo tanto, es importante completar varias lecturas.
Le pedí a otro contratista eléctrico que instalara una conexión de cable a tierra más fuerte desde el edificio hasta la varilla de tierra para evitar el robo de cobre en el futuro.También realizaron otra medición de la resistencia del suelo.Sin embargo, llovió unos días antes de que tomaran la lectura y el valor que obtuvieron fue incluso inferior a 7 ohmios (tomé la lectura cuando estaba muy seco).A partir de estos resultados, creo que la varilla de tierra todavía está en buenas condiciones.
Figura 7: Verificar las conexiones principales del sistema de puesta a tierra.Incluso si el sistema de conexión a tierra está conectado a la varilla de tierra, se puede usar una abrazadera para verificar la resistencia a tierra.
Moví el supresor de sobretensiones de 480 V a un punto de la línea después de la entrada de servicio, al lado del interruptor de desconexión principal.Solía estar en una esquina del edificio.Siempre que hay una sobretensión por relámpago, esta nueva ubicación pone al supresor de sobretensiones en primer lugar.En segundo lugar, la distancia entre éste y la varilla de tierra debe ser lo más corta posible.En el acuerdo anterior, ATS iba por delante de todo y siempre tomó la delantera.Los cables trifásicos conectados al supresor de sobretensiones y su conexión a tierra se acortan para reducir la impedancia.
Regresé nuevamente para investigar una pregunta extraña: por qué el supresor de sobretensiones no funcionó cuando el ATS explotó durante la oleada de rayos.Esta vez, verifiqué minuciosamente todas las conexiones a tierra y neutro de todos los paneles de disyuntores, generadores de respaldo y transmisores.
¡Descubrí que falta la conexión a tierra del panel del disyuntor principal!Aquí también es donde están conectados a tierra el supresor de sobretensiones y el ATS (por lo que esta también es la razón por la que el supresor de sobretensiones no funciona).
Se perdió porque el ladrón de cobre cortó la conexión al panel en algún momento antes de que se instalara el ATS.Los ingenieros anteriores repararon todos los cables de tierra, pero no pudieron restaurar la conexión a tierra al panel del disyuntor.El cable cortado no es fácil de ver porque está en la parte posterior del panel.Arreglé esta conexión y la hice más segura.
Se instaló un nuevo ATS trifásico de 480 V y se utilizaron tres núcleos toroidales de ferrita Nautel en la entrada trifásica del ATS para mayor protección.Me aseguro de que el contador supresor de sobretensiones también funcione para que sepamos cuándo ocurre un evento de sobretensión.
Cuando llegó la temporada de tormentas, todo iba bien y el ATS funcionaba bien.Sin embargo, el fusible del transformador del poste todavía está fundido, pero esta vez el ATS y todos los demás equipos del edificio ya no se ven afectados por la sobretensión.
Solicitamos a la compañía eléctrica que revise el fusible fundido.Me dijeron que el sitio está al final del servicio de la línea de transmisión trifásica, por lo que es más propenso a sufrir problemas de sobretensión.Limpiaron los postes e instalaron algunos equipos nuevos encima de los transformadores de los postes (creo que también son una especie de supresor de sobretensiones), lo que realmente evitó que se quemara el fusible.No sé si hicieron otras cosas en la línea de transmisión, pero no importa lo que hagan, funciona.
Todo esto sucedió en 2015 y desde entonces no hemos encontrado ningún problema relacionado con sobretensiones o tormentas eléctricas.
Resolver los problemas de sobretensión a veces no es fácil.Se debe tener cuidado y minuciosidad para garantizar que se tengan en cuenta todos los problemas en el cableado y la conexión.Vale la pena estudiar la teoría detrás de los sistemas de puesta a tierra y las sobretensiones relámpagos.Es necesario comprender completamente los problemas de la puesta a tierra en un solo punto, los gradientes de voltaje y los aumentos del potencial de tierra durante las fallas para poder tomar las decisiones correctas durante el proceso de instalación.
John Marcon, CBTE CBRE, se desempeñó recientemente como ingeniero jefe interino en Victory Television Network (VTN) en Little Rock, Arkansas.Tiene 27 años de experiencia en transmisores de radiodifusión y televisión y otros equipos, y también fue profesor profesional de electrónica.Es un ingeniero de transmisión de televisión y radiodifusión certificado por la SBE con una licenciatura en ingeniería electrónica y de comunicaciones.
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Hora de publicación: 14-jul-2021
