Poso Tierra

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ

FACULTAD CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA DE MINAS

Los pozos a tierra en las instalaciones eléctricas industriales y mineras

Integrantes:

MIGUEL ANGEL CONDORI MARIN

FRANKLIN DEYLER MALDONADO COSI

HUMBERTO OLLACHICA

MIGUEL OVIEDO

JHORLAN VELAZCO COA

ASTRID CAROLINA FIGUEROA

Docente: Jorge Victor Cardenas Perales

Turno: Noche

Ciclo: IV

Arequipa, Perú

2014

CAPÍTULO 1

Introducción

La toma de tierra, también denominado hilo de tierra, toma de conexión a tierra, puesta a tierra, pozo a tierra, polo a tierra, conexión a tierra, conexión de puesta a tierra, o simplemente tierra, se emplea en las instalaciones eléctricas para llevar a tierra cualquier derivación indebida de la corriente eléctrica a los elementos que puedan estar en contacto con los usuarios (carcasas, aislamientos,...) de aparatos de uso normal, por un fallo del aislamiento de los conductores activos, evitando el paso de corriente al posible usuario.

La puesta a tierra es una unión de todos los elementos metálicos que mediante cables de sección suficiente entre las partes de una instalación y un conjunto de electrodos, permite la desviación de corrientes de falta o de las descargas de tipo atmosférico, y consigue que no se pueda dar una diferencia de potencial peligrosa en los edificios, instalaciones y superficie próxima al terreno.

Las instalaciones a tierra tiene como objetivo establecer las reglas preventivas para salvaguardar las condiciones de seguridad de las personas, de la vida animal y vegetal, y de la propiedad, frente a los peligros derivados del uso de la electricidad; así como la preservación del ambiente y la protección del Patrimonio Cultural de la Nación.

Las normas internacionales de puestas a tierra en sistemas eléctricos mineros indican los criterios a seguir, límites a cumplir y equipos a utilizar. Sin embargo, en ciertas ocasiones no se comprende la razón de ellas y se desconoce el modo de llevarlas a cabo. Por tal motivo es que en esta memoria se estudiarán algunos aspectos de estas normas, con el propósito de entregar fundamentaciones, recomendaciones y propuestas a seguir. Tales aspectos son el acoplamiento entre puestas a tierra en una mina, el diseño apropiado de una resistencia de neutro a tierra, equipos de protección relacionados con estas resistencias, y condiciones de seguridad de los cables de arrastre.

1.1 Objetivos

Dentro del contexto descrito este proyecto tiene un objetivo principal:

• Estudiar el funcionamiento de los pozos a tierra en los sistemas de eléctrico mineros e industriales.

1.1.1 Objetivos específicos

Los objetivos específicos que se desea conseguir son:

• Describir los sistemas eléctricos de las minas e industrias.

• Presentar los conceptos principales de una puesta a tierra tanto en una mina como en una industria.

• Las características de los sistemas de puesta atierra en minas e industrias.

• Analizar la seguridad en las instalaciones eléctrica industriales y mineras.

CAPÍTULO 2

Antecedentes generales

2.1 TIPOLOGÍA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

Conforme a ello se definen los siguientes tipos de Sistemas de Puesta a Tierra:

- De protección: Es la puesta a tierra que tiene por objetivo proteger a las personas y animales contra los riesgos derivados de contactos con partes conductoras que, estando no sometidas normalmente a tensión, puedan quedar sometidas a tensiones peligrosas como consecuencia de un defecto, generalmente por falla de aislamiento, en una instalación. Para lograr este objetivo todas las masas susceptibles de quedar bajo tensión deben ser conectadas al conductor de puesta a tierra de protección. Desde el punto de vista de la seguridad de las personas esta instalación tiene por objeto proteger a las mismas de los accidentes por contacto indirecto.

- Funcional o de Servicio: Es la puesta a tierra que tiene por objetivo asegurar el correcto funcionamiento del equipamiento eléctrico y permitir un funcionamiento confiable de la instalación. Dependiendo de las características de la instalación, la puesta a tierra de protección y la funcional pueden ser independientes o en una misma puesta a tierra combinarse ambas funciones. En este último caso, en el diseño de la puesta a tierra siempre se dará prioridad a lo prescripto por las regulaciones o reglamentos, para la puesta a tierra de protección.

- De referencia: Es la instalación destinada a brindar un potencial constante, que podrá ser empleado para tener una referencia, generalmente respecto del potencial de tierra, en la conexión de equipos. Se emplea para garantizar el funcionamiento correcto, seguro y confiable de una instalación sobre todo del tipo de datos o comunicaciones (instalaciones de corrientes débiles).

- De pararrayos: Es un sistema especial destinado a proteger personas y bienes de las descargas atmosféricas (rayos). La instalación se diseña especialmente para conducir a tierra las corrientes y sobretensiones producidas por descargas atmosféricas sobre los pararrayos y descargadores de protección en líneas de energía. También cumplen el objetivo de limitar eventuales sobretensiones de maniobra producidas en las propias instalaciones.

Por sus características, este sistema nunca debe ser asociado ni vinculado a cualquiera de los otros sistemas.

2.2 DEFINICIONES

Las definiciones expuestas a continuación son aplicables a cualquiera de los sistemas de puesta a tierra mencionados en 2.

Electrodo de puesta a tierra: Elemento conductor eléctrico de características físicas definidas, que es utilizado para establecer una Toma de Tierra.

Toma de tierra: Parte integrante de un Sistema de Puesta a tierra (SPAT), compuesto por uno o más electrodos de puesta a tierra, que, hincados o enterrados en el terreno e interconectados eléctricamente, permite establecer un contacto físico y eléctrico con el terreno (tierra).

Conductor de puesta a tierra: Conductor eléctrico de características especiales que vincula a la Toma de Tierra con el borne o barra principal del SPAT de una instalación eléctrica.

Borne principal de tierra: Borne o barra, previsto para la conexión al conductor de puesta a tierra, de los conductores de protección y conductores de conexión equipotencial.

Sistema de Puesta a Tierra (SPAT): Conjunto compuesto por la Toma de Tierra, el Conductor de Puesta a Tierra y el Borne Principal de Puesta a Tierra, diseñado y construido para cumplir con las normas de seguridad referentes a la protección de seres vivos y funcionamiento de dispositivos de protección.

Masa: Parte conductora de un equipamiento eléctrico que puede ser tocada y que normalmente no está bajo tensión pero que puede ser puesta bajo tensión en caso de falla del aislamiento principal. No se considera masa una parte conductora de un equipamiento eléctrico que solo puede ser puesta bajo tensión a través de otra masa.

Tierra local: Zona del suelo en contacto físico y eléctrico con una toma de tierra, y cuyo potencial eléctrico no es necesariamente igual a cero.

Tierra de referencia: Zona del suelo conductor cuyo potencial eléctrico es considerado, por convención, igual a cero. Para el cumplimiento de esa condición, esa zona de suelo no debe estar influenciada por instalación eléctrica. A la Tierra de Referencia también se la denomina “Tierra Lejana”.

Resistencia de puesta a tierra: Valor de la resistencia eléctrica que presenta un Sistema de Puesta a Tierra entre el borne principal de tierra y la tierra de referencia. El valor resultante de su medición permite evaluar y predecir el estado y comportamiento de un Sistema de Puesta a Tierra. (Garcia, 2002)

2.3 INSTALACIONES QUE DEBEN SER CONECTADAS A UN SPAT

Al sistema de puesta a tierra que corresponda según su clasificación se conectarán,

• Los tomacorrientes y las masas metálicas de una instalación eléctrica del cualquiera sea su tipo.

• Las estructuras metálicas y las armaduras de columnas y muros de hormigón.

• Las instalaciones interiores ejecutadas con conducciones metálicas correspondientes a los servicios de agua y calefacción así como calderas, depósitos, instalaciones de ascensores y montacargas, y en general toda estructura metálica sea de índole fija, móvil o provisoria que pueda quedar accidentalmente bajo tensión.

• Las instalaciones de pararrayos

• Las instalaciones de radioeléctricas en general.

2.4 ¿Qué es un Puesta a tierra?

Independientemente de las medidas de seguridad que actualmente equipen los aparatos eléctricos, hemos visto a lo largo del libro que todas las instalaciones eléctricas deben incorporar redes de tierra, como medida de protección contra contactos indirectos.

Así pues, en los edificios destinados a viviendas se instalan sistemas de puesta a tierra, acompañados de interruptores diferenciales de alta sensibilidad que garantizan la seguridad de las personas.

Podemos definir la puesta o conexión a tierra como la conexión eléctrica directa de todas las partes metálicas de una instalación, sin fusibles ni otros sistemas de protección, de sección adecuada y uno o varios electrodos enterrados en el suelo, con objeto de conseguir que en el conjunto de instalaciones, edificios y superficies próximas al terreno, no existan diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes de defecto o la de descarga de origen atmosférico.

La finalidad principal de una puesta a tierra es limitar la tensión que con respecto a tierra, puedan presentar, en un momento dado, las masas metálicas, asegurar la actuación de las protecciones y eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en los materiales eléctricos utilizados.

El sistema de protección está basado, principalmente, en no permitir la existencia de tensiones entre diferentes masas metálicas o entre éstas y el suelo, superiores a 24 V en viviendas y locales húmedos, o 50 V en locales secos. Estos valores son los máximos que puede soportar el cuerpo humano sin peligro de lesiones graves.

Para conseguir estos valores de tensión, se equipan las instalaciones con una línea paralela a los conductores de enlace del edificio que sea capaz de enviar a tierra cualquier corriente de fuga, derivación, etc., así como las descargas de origen atmosféricos (rayos).

El objetivo de una puesta a tierra desde el enfoque de seguridad es limitar estas diferencias de potencial, de modo que no se alcancen niveles peligrosos tanto para el personal de explotación y mantenimiento, así como también para los usuarios y equipos de una instalación. El control de dichos voltajes normalmente se efectúa mediante conexiones conductivas de baja impedancia entre las diferentes partes metálicas de la instalación (bastidores, estructuras metálicas, cubiertas protectoras, pantallas de cables, etc.), y entre esas partes y el suelo sobre el que se encuentran.

Desde el punto de vista del comportamiento y seguridad de un sistema eléctrico, la puesta a tierra debe cumplir diversas funciones, de las cuales algunas son prioritarias. Ejemplos de estas funciones son:

 Asegurar valores de tensión adecuadamente bajos, de acuerdo a estándares, entre las fases sanas y tierra, durante fallas a tierra en los sistemas de potencia.

 Proporcionar una vía de baja impedancia para la operación rápida y eficaz de las protecciones (relés, fusibles, pararrayos, etc.) de las instalaciones o equipos.

 Conducir a tierra, en forma eficiente, las corrientes provenientes de descargas atmosféricas, limitando las diferencias de potencial que pudieran producirse en la instalación.

 Prevenir la presencia de voltajes peligrosos entre estructuras o cualquier elemento expuesto y el terreno, tanto durante fallas como en condiciones normales de operación.

 Evitar gradientes de potencial peligrosos sobre la superficie del suelo durante fallas del sistema o descargas atmosféricas, en un área determinada.

 Reducir los efectos de inducción de voltaje por parte de sistemas de transmisión o instalaciones eléctricas de potencia de baja tensión.

 Limitar a valores prescritos, la diafonía (trastorno causado por los campos eléctricos o magnéticos de una señal de telecomunicaciones que afectan a una señal en un circuito adyacente) y los ruidos inducidos en los circuitos de telecomunicaciones.

 Asegurar el empleo de la tierra como trayecto de retorno para sistemas eléctricos o electrónicos con retorno por tierra. Es el caso de instalaciones de tracción eléctrica, el neutro en instalaciones de distribución, circuitos de telefonía con onda portadora, protección catódica, y transmisión de energía en corriente continua.

2.5 Esquema simple de un sistema de puesta a tierra

En la figura 1. Se presenta la instalación de un SPAT para una vivienda. En la misma se incluyen los aspectos más destacables de una instalación simple

Se indica a continuación la simbología utilizada en la ilustración:

M - Masa

C1 - Cañerías metálicas de agua, entrantes.

C2 - Cañerías metálicas de gas, entrantes

C3 - Conductos metálicos de aire acondicionado.

C3

C4 - Sistemas de calefacción.

C5 - P.ej. cañerías de agua metálicas en el baño.

C6 - Elementos conductores que pueden tocarse simultáneamente con las manos.

BPT - Borne Principal de puesta a Tierra.

T1 - Toma de tierra de protección.

T2 - Toma de tierra del sistema de protección contra rayos.

PE (CP) - Conductor de protección.

CES - Conductor de conexión equipotencial para conexiones suplementarias.

B-SPR - Conductores de Bajada del Sistema de Protección contra Rayos.

CPAT - Conductor de Puesta a Tierra.

La estructura básica de un sistema de puesta a tierra consiste en implantar en el terreno una masa metálica, denominada electrodo, de formas y dimensiones adecuadas.

El electrodo, es vinculado a la parte de la instalación a proteger mediante un conductor, denominado conductor de puesta a tierra.

El electrodo, puede ser materializado mediante jabalinas, perfiles, cables desnudos, cintas, etc. o por un conjunto de conductores en contacto con la tierra que garantizan un contacto íntimo con ella.

En muchas oportunidades es necesario implantar más de un electrodo. En ese caso los electrodos se instalan distanciados lo suficiente para no influenciarse entre sí; a este sistema se lo denomina de electrodos independientes. (Garcia, 2002)

2.5.1 Conductor de puesta a tierra (CPAT)

Este conductor tiene por función conducir hacia el electrodo a la corriente que se quiere derivar a tierra y al igual que el electrodo se construye mediante planchuelas o conductores flexibles de cobre de calidad grado eléctrico. Físicamente une al electrodo con el borne principal de puesta a tierra (BTP - Borne de puesta a tierra) al cual se conectarán los diversos conductores de protección que disponga la instalación.

2.5.2 Conductores de protección (CP)

Estos conductores se conectan al borne principal de puesta a tierra y a partir de él recorren la instalación conjuntamente con los conductores de los distintos circuitos.

En la instalación básica representada en la Fig.1 podemos reconocer, mediante el circuito equivalente, los siguientes componentes :

• La resistencia del conductor de puesta a tierra RCPA (tramo A - B).

• La resistencia de electrodo RELEC presentada por la resistencia presentada por el electrodo en su contacto con la tierra.

La suma de estas dos resistencias configura la Resistencia de Puesta a Tierra RPAT (A -C), medida desde el borne principal de puesta a tierra (BPT) de la instalación.

Las características principales de dos resistencias son:

• RCPA está definida por la resistencia que presenta el conductor que vincula el borne de puesta a tierra con el borne de unión al electrodo.

• RELEC resulta de la resistencia presente el electrodo en su contacto con la tierra conjuntamente con el tramo de terreno comprendido entre la puesta a tierra local y la puesta a tierra de la alimentación. Este valor es dependiente de la configuración y disposición de o de los electrodos y de la característica conductiva del terreno evaluada por la “resistividad eléctrica del terreno” donde se instalan los electrodos. Este último valor, en muchos casos, es difícil de establecer debido a las variadas características y estados del terreno.

La Tabla I presenta valores de Resistencia RELEC - para un electrodo típico implantado en diversos tipos de terreno.

Como se observa la resistencia presentada por el mismo electrodo varía en función del tipo de terreno, lo cual es definido por el valor de Resistividad Eléctrica del mismo.

Adicionalmente los valores resultantes de resistencia resultan ser dependientes del grado de humedad y de la temperatura del mismo.

Para asegurar condiciones de seguridad aceptables, las normas de instalación limitan los valores de la resistencia de puesta a tierra, debiendo mantener un valor por debajo de 10Ω.

Así mismo, y conforme el tipo de instalación, las normas establecen límites a la sección del conductor vinculado a la jabalina.

Manteniendo un valor lo más bajo posible de la resistencia de puesta a tierra, se asegura que una corriente, sea ella de cortocircuito o de falla, que circula por el sistema de puesta a tierra, genere un potencial no peligroso en las partes del circuito conectadas a tierra, evitando así tensiones peligrosas en caso de contactos indirectos, previniendo así choques eléctricos de gravedad o sobretensiones que pueden afectar el comportamiento de los componentes o daños a las personas.

Capitulo III

3.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN UNA PUESTA A TIERRA

3.1.1 Requerimientos del sistema de puesta a tierra

La función del sistema de puesta a tierra es doble:

- proporcionar un camino de impedancia suficientemente baja, vía los conductores de tierra, de regreso a la fuente de energía, de tal modo que ante el evento de una falla a tierra de un conductor activo, fluya por una ruta predeterminada una corriente suficiente, que permita operar al dispositivo de protección del circuito.

- limitar a un valor seguro la elevación de potencial en todas las estructuras metálicas a las cuales tienen normalmente acceso personas y animales, bajo condiciones normales y anormales del circuito. La conexión conjunta de todas las estructuras metálicas normalmente expuestas, previene la posibilidad de una diferencia de potencial peligrosa que surja entre contactos metálicos adyacentes ya sea bajo condiciones normales o anormales.

Hay dos tipos principales de conductores de tierra: los conductores de protección (o de conexión) y los electrodos de tierra.

3.1.2 Conductores de conexión y conductores de protección

En las reglamentaciones, se han planteado diversas definiciones para describir los diferentes tipos de conductores de tierra usados. La aplicación práctica de estos conductores en instalaciones eléctricas se discutirá más adelante. Los tipos son:

a) Conductor de protección de circuito

Este es un conductor separado instalado con cada circuito y está presente para asegurar que parte o toda la corriente de falla regrese a la fuente a través de él. Puede ser un conductor individual, la cubierta metálica exterior de un cable o la estructura de un ducto metálico.

b) Conductores de conexión

Estos conductores aseguran que las partes conductivas expuestas (tales como carcasas metálicas) permanezcan aproximadamente al mismo potencial durante condiciones de falla eléctrica. Las dos formas de conductores de conexión son:

Conductores de conexión equipotencial principales, que conectan entre sí y a tierra, partes conductivas expuestas que normalmente no llevan corriente, pero podrían hacerlo bajo una condición de falla. Estas conexiones normalmente unen al sistema de puesta a tierra tuberías metálicas de gas y agua expuestas que ingresan a la instalación, estructura metálica del edificio y servicios principales. En el interior de instalaciones, estas conexiones deben ser de un cierto tamaño mínimo (al menos 6 mm2) y generalmente no necesitan ser mayor que 25 mm2 en cobre.

Nota: A las tuberías que ingresan a una instalación, debe incorporársele un acoplamiento aislante en el punto de ingreso, para evitar potenciales transferidos.

Conductores de conexión suplementarios, son para asegurar que el equipo eléctrico y otros ítems de material conductivo en zonas específicas estén conectados entre sí y permanecen sustancialmente al mismo potencial. Se usan en adición a los conductores de conexión equipotencial principales y conductor de protección de circuito.

En el interior de subestaciones eléctricas, los conductores de conexión y de tierra necesitan ser de tamaño suficiente ya que ellos pueden llevar una buena cantidad de corriente de falla hasta por tres segundos, sin daño. La tabla más abajo muestra algunos de los más comunes tamaños de cinta usada tanto para conexiones como para electrodos enterrados. El nivel de corriente mostrado es aquél calculado de acuerdo a una temperatura ambiente de 30º Celcius, duración de falla de 3 segundos y temperaturas máximas de 375 ºC y 295 ºC para el cobre y el aluminio respectivamente. Se aplica una formulación diferente de acuerdo a la situación, de modo que siempre debiera consultarse las normas antes de asignar un nivel de corriente. También debiera hacerse alguna estimación respecto de pérdida de material por corrosión a lo largo de la vida de la instalación.

Para conductores de conexión, es esencial que el tamaño escogido del conductor sea capaz de llevar el valor total de la corriente de falla estimada. Si ocurre una falla, la totalidad de la corriente de falla puede fluir a través del conductor de tierra hacia el sistema de electrodos enterrados. Al llegar ahí se diversificará entre los electrodos, por lo tanto, éstos pueden a menudo tener una sección menor que el conductor de conexión o de tierra principal.

3.1.3 Electrodos de tierra

El electrodo de tierra es el componente del sistema de puesta a tierra que está en contacto directo con el terreno y así proporciona un medio para botar o recoger cualquier tipo de corrientes de fuga a tierra. En sistemas puestos a tierra se requerirá normalmente llevar una corriente de falla bastante grande por un corto período de tiempo y, en consecuencia, se necesitará tener una sección suficientemente grande como para ser capaz de llevar esta corriente en forma segura. Los electrodos deben tener propiedades mecánicas y eléctricas adecuadas para continuar respondiendo a las solicitaciones durante un período de tiempo relativamente largo, en el cual es difícil efectuar ensayos reales o inspección. El material debe tener buena conductividad eléctrica y no corroerse dentro de un amplio rango de condiciones de suelo. Los materiales usados incluyen cobre, acero galvanizado, acero inoxidable y fierro fundido. El cobre generalmente es el material preferido por las razones que se describirán posteriormente. El aluminio se usa algunas veces para conexiones fuera del terreno, pero la mayoría de los estándares prohiben su uso como electrodo de tierra debido al riesgo de corrosión acelerada. El producto corrosivo -una capa de óxido- deja de ser conductivo y reduce la efectividad de la puesta a tierra.

El electrodo puede tomar diversas formas: barras verticales, placas y conductores horizontales. Las formas más comunes se describen a continuación.

a) Barras

Esta es la forma más común de electrodos, porque su costo de instalación es relativamente barato y pueden usarse para alcanzar en profundidad, suelo de baja resistividad, sólo con excavación limitada y relleno. Están disponibles en diversos tamaños, longitudes, diámetros y materiales. La barra es de cobre puro o de acero recubierto de cobre. El tipo recubierto se usa cuando la barra se entierra por medios mecánicos (impacto) ya que el acero usado tiene alta resistencia mecánica. La capa de cobre debe ser de alta pureza y aplicada electrolíticamente. Esto último asegura que el cobre no se deslice al enterrar la barra. En condiciones de suelo más agresivo, por ejemplo cuando hay alto contenido de sal, se usan barras de cobre sólido. Barras de acero inoxidable son más anódicas que el cobre y se usan ante riesgo de corrosión galvánica. Sin embargo, debe considerarse el hecho que el acero inoxidable tiene baja capacidad de transporte de corriente en comparación con el cobre.

En cada extremo de la barra hay sectores tratados que permiten disponer de un extremo aguzado, un extremo con una cabeza endurecida o con hilo para atornillar barras adicionales. Es importante en el caso de barras recubiertas, que la capa de cobre se mantenga intacta en la sección fileteada (con hilo). Algunos fabricantes también tienen una barra taladradora de cabeza de cruz, que es particularmente útil si los acoplamientos de barra tienen un diámetro mayor que la barra. Se asegura que este tipo de cabeza permite enterrar hasta mayor profundidad. Las barras están disponibles en diámetros de 15 mm a 20 mm (cobre sólido) y 9,5 a 20 mm (acero recubierto de cobre). Las barras individuales tienen longitudes de 1, 2 a 3 metros.

También se dispone de secciones apantalladas de barra para uso, por ejemplo, cuando hay una capa de suelo altamente corrosivo, a través de la cual debe atravesar una barra profunda. La pantalla debe ser por ejemplo de PVC para prevenir contacto entre la barra y el suelo corrosivo. Por supuesto esta sección no contribuye a reducir el valor de impedancia, puesto que no está en contacto con el suelo.

b) Placas

Se usa varios tipos de placas para propósitos de puesta a tierra, pero el único tipo que se considera generalmente como electrodo debe ser sólido y de tamaño sustancial. Las placas tipo enrejado, como se ilustra en la Figura 4-1, se usan para graduar potenciales y no se espera que permitan el paso de niveles de corriente de falla significativos. Se hacen normalmente de una malla de cobre o de acero.

Los electrodos de placa son de cobre o de fierro fundido. Las planchas de fierro fundido tienen un mínimo de 12 mm de espesor y son cuadradas de 915 ó 1220 mm por lado. Las planchas de cobre son típicamente cuadradas de 600 mm ó 900 mm de lado y entre 1,6 mm y 3 mm de espesor.

Cuando se usan varias planchas, deben instalarse a cierta distancia para prevenir una interacción. Esta distancia es mínimo de 2 m extendiéndose hasta 9 m.

c) Electrodos horizontales

Están hechos de cintas de cobre de alta conductividad o conductores retorcidos (cables). La cinta es el material más conveniente pues para una sección dada de material presenta una mayor superficie y se considera que tiene un comportamiento mejor a alta frecuencia, debido a la capacitancia levemente mayor a tierra. Puede ser más difícil de conectar (por ejemplo a barras verticales), de modo que puede significar un costo de instalación levemente mayor.

Para reducir costos globales, la cinta se puede usar para los electrodos que llevarán la mayor corriente (por ejemplo electrodos del perímetro y conexiones principales a los equipos) mientras que el conductor retorcido puede usarse en otra parte (ver Capítulo 7). La cinta que se instala bajo tierra es totalmente recocida de modo que puede ser plegada fácilmente.

Para conexiones exteriores al terreno están disponibles cinta cubierta de PVC, conductores sólidos o retorcidos. También se dispone de cinta de cobre cubierta de plomo o estaño para aplicaciones especiales.

d) Electrodos secundarios

Existen algunos tipos interesantes de electrodos secundarios, cuyo propósito es mejorar el comportamiento de un electrodo de tierra. Ellos incluyen pozos de tierra y embalses de terreno.

Un pozo de tierra puede comprender varias tuberías largas enterradas verticalmente en el suelo. Están conectadas entre sí y rodeadas por un material de baja resistividad.

Un embalse de tierra es típicamente una cavidad en una ubicación donde se pueda mantener la humedad, que está llena con desechos metálicos y otro material conductivo.

Un ejemplo de electrodo secundario consiste de un tubo de cobre de 50 mm de diámetro, disponible en longitudes de hasta 6 metros. El cañón interior se llena parcialmente con sales metálicas en bruto y los extremos superior e inferior del tubo se sellan con tapas. Se perfora el tubo en la parte superior para ventilación y también para drenaje en la parte inferior. El material de relleno recomendado es Bentonita (Vea la sección 14.2 para una descripción de este material).

El dispositivo funciona del siguiente modo:

Producto de los cambios en la presión atmosférica y del movimiento natural del aire, se bombea aire a través de los huecos de ventilación, en la parte superior del tubo. La humedad existente en el aire absorbido entra en contacto con la sal y se forman gotas de agua vía un proceso higroscópico. Al acumularse la humedad, se forma una solución electrolítica que escurre hacia la parte inferior del tubo.

Con el tiempo se forma suficiente electrolito el cual fluye a través de las perforaciones inferiores de drenaje hacia el suelo circundante, mediante osmosis. De este modo, el electrolito forma “raíces” en el terreno que lo rodea, las cuales ayudan a mantener su impedancia en un nivel bajo.

Capitulo IV

4.1 METODOS DE INSTALACION

Cuando se instalan electrodos de tierra, se deben satisfacer tres condiciones:

• El trabajo debe ser realizado eficientemente para minimizar costos de instalación.

• El terreno o material de relleno usado no debe tener un índice de acidez pH que cause corrosión al electrodo.

• Todas las uniones o conexiones bajo tierra deben ser construidas de modo que no se presente corrosión en la unión o conexión.

El método de instalación, relleno y conexiones que se detalla en los siguientes párrafos dependerá del tipo de sistema de electrodos que se usará y de las condiciones del terreno. Donde se pueda, debiera hacerse uso de trabajo de excavaciones comunes. Invariantemente, se necesitará apoyo mecánico y herramientas manuales para apoyar la instalación.

4.2 Barras

Las barras generalmente ofrecen la forma más conveniente y económica de instalar un electrodo. A menudo se requiere modificar poca superficie (tal como romper superficies de concreto), pero por supuesto es necesario inspeccionar para asegurarse que no hay equipo o instalaciones enterradas -tales como tuberías de agua o gas- que puedan ser dañadas al enterrar las barras. Los métodos de instalación incluyen accionamiento manual, accionamiento mecánico y perfora dura. Las barras cortas (típicamente hasta 3 metros de largo) se instalan a menudo empleando un martillo pesado (combo) operado manualmente. Los golpes relativamente cortos y frecuentes son más efectivos normalmente. Las barras están acondicionadas con una cabeza endurecida y una punta de acero para asegurar que la barra misma no se dañe durante el proceso.

Las barras más largas se manejan en forma similar, pero usando un martillo neumático que requiere mucho menos esfuerzo físico y proporciona una inercia directa mayor. Se usan también exitosamente para este propósito herramientas eléctricas, a petróleo, hidráulicas de aceite o aire. Debido a su peso, estas herramientas algunas veces requieren de un aparejo para sostenerlas. Un martillo eléctrico típico podría tener un consumo de 500 Watts y proporcionar aproximadamente 1500 golpes por minuto. Es posible enterrar barras hasta una profundidad de 10 metros o más usando este método, dependiendo por supuesto, de las condiciones reales del suelo. Se ha informado también que barras hasta 30 metros han sido instaladas de esta manera, pero no se sabe cuán derechas quedaron. Se sabe que algunas veces se doblan y quiebran a cierta profundidad. El tiempo que demora instalar la barra varía con el tipo de suelo. Por ejemplo, en arena o gravilla suelta, la tasa de penetración de una barra de 11 mm de diámetro puede ser 3,5 metros por minuto, pero ésta cae a 0,5 metros por minuto en arcilla firme.

El diámetro de la barra es el principal factor que incide en el esfuerzo necesario para instalarla. Las barras delgadas (9 mm de diámetro) se instalan relativamente fácil, pero a medida que la longitud de la barra aumenta, el diámetro de la barra debe incrementarse para asegurar que la barra tenga suficiente resistencia mecánica particularmente en los puntos de unión. Al doblar el diámetro de la barra de 12 mm a 24 mm, aumenta la resistencia mecánica para impacto en más de tres veces. Cuando las barras tienen que ser muy profundas, normalmente son soldadas o acopladas mecánicamente. El acoplamiento debe ser tal que el diámetro de la barra no se incremente significativamente, de otro modo la instalación se dificultará y al penetrar la unión se producirá un espacio con un diámetro mayor que el de la barra. El acoplamiento debiera también apantallar la sección tratada, para ayudar a prevenir la corrosión.

Las barras de acero recubiertas de cobre son significativamente más resistentes que las barras de cobre sólido, las cuales se doblan muy fácilmente y pueden quebrarse cuando se intenta introducirlas en el suelo rocoso.

Cuando se requiere barras más profundas o en condiciones de suelo difícil donde hay roca subyacente, la forma más efectiva es taladrar una perforación estrecha en la cual se instala el electrodo de barra con material de relleno adecuado. Este método es a menudo sorprendentemente económico, ya que puede realizarse un número significativo de perforaciones profundas en un día usando equipo de bajo costo. Las barras pueden instalarse en forma rutinaria a profundidades de hasta 20 metros y con equipo más especializado a una profundidad significativamente mayor.

Además de las ventajas de obtener una gran profundidad y una trayectoria más controlada del electrodo, otro beneficio es que de esta manera puede instalarse electrodos de cobre sólido relativamente delgados.

Debido a que la barra de cobre sólido tiene una mejor conductividad que la barra recubierta de cobre, ésto mejora aún más el beneficio obtenido por el uso de barras largas. Si se entierran mecánicamente a dicha profundidad, las barras necesitarían ser de mucho mayor diámetro y puede ser necesaria una barra de acero recubierta de cobre para proveer la resistencia mecánica adecuada. En el pasado se usaron varias formas diferentes de sección, tales como sección transversal en forma de estrella, para incrementar la resistencia de la barra y hacer menos probable que se doblara en suelo rocoso. Sin embargo, no están disponibles ahora. La forma diferente sólo tiene un efecto marginal sobre la resistencia eléctrica obtenida, pero podría requerir menos material para la misma área superficial.

Las barras verticales largas pueden proporcionar una solución económica en muchas situaciones.

Existe también equipo disponible que usa conductor de cobre retorcido enterrado en profundidad para provocar un efecto similar al de una barra convencional, pero evita uniones mecánicas. Una barra de acero se entierra, arrastrando el conductor retorcido detrás de ella. Con el tiempo, el acero probablemente se corroa, dejando sólo al conductor de cobre como electrodo permanente.

4.3 Planchas

Originalmente, a comienzos de siglo, las planchas eran tan comunes que a todos los electrodos de tierra se les llamaba planchas de tierra. Cuando se incrementó el uso de la electricidad, las planchas debieron manejar corrientes mayores, lo cual significó aumentar las dimensiones de la plancha. Su uso continuó por un tiempo considerable, principalmente debido a la costumbre y la práctica, a pesar de que tenían algunas desventajas. Por ejemplo, generalmente requieren excavación manual o mecánica y, por lo tanto, el costo de instalación puede ser muy alto.

Para reducir la magnitud de la excavación requerida, las planchas se instalan normalmente en un plano vertical, desde aproximadamente 0,5 metros bajo la superficie. Es fácil compactar el terreno contra la plancha cuando se rellena, si está instalada verticalmente. Otra desventaja se debe a la ubicación escogida para las planchas de tierra. A menudo se ubicaban demasiado próximas entre sí y sus zonas de influencia se traslapaban. Esto aumenta la resistencia combinada a un valor mayor que el esperado. Si las planchas tienen que llevar una cantidad importante de corriente, entonces su resistencia necesita ser de bajo valor. En la práctica, las resistencias combinadas no eran aún lo suficientemente bajas y las corrientes de falla generalmente seguían otras rutas. Por lo tanto, en esta situación no se cumplía la mejor densidad de corriente, señalada como una ventaja para las planchas. Usualmente podía lograrse un arreglo mejor usando barras y electrodos horizontales.

Debido al costo de instalación relativamente alto, poco se justifica usar planchas ahora y las existentes, cuando se detecta deterioro, son reemplazadas normalmente por una agrupación de barras.

4.4 Electrodos horizontales

Los electrodos horizontales pueden ser instalados en surcos directamente en el terreno o más frecuentemente en zanjas de hasta un metro de profundidad. El uso de equipo de excavación mecánica de pala angosta puede resultar en costos de instalación menores, en sitios donde esto es posible. La profundidad de instalación tiene normalmente un mínimo de 0,5 metros y más si es necesario pasar bajo nivel de cultivo o de escarcha en zonas heladas.

En muchos proyectos grandes, toda el área puede ser excavada para permitir obras civiles. Esto presenta a menudo una buena oportunidad para minimizar costos tendiendo el conductor del electrodo de tierra en ese momento. Debe tenerse cuidado de prevenir daño o robo del conductor, una vez tendido.

Nota: En algunos países está permitida la conexión de tuberías metálicas de agua a la puesta a tierra de la instalación, o más aún, estas tuberías constituyen el electrodo de puesta a tierra. En Chile, la reglamentación actual no autoriza esta conexión a ningún sistema de tuberías o conductores metálicos que se extiendan fuera de los límites de la puesta a tierra de una instalación.

4.5 Relleno

En todos los casos, el material de relleno debe ser no-corrosivo, de un tamaño de partícula relativamente pequeño y si fuera posible, que ayude a retener la humedad. Muy a menudo, el material previamente excavado es apropiado como relleno, pero debiera ser arneado para remover piedras antes de rellenar, asegurándose de que quede bien compactado. El suelo debiera tener un índice de pH entre 6,0 (ácido) y 10.0 (alcalino)- ver capítulos 11 y 14. La arcilla dura no es un material de relleno conveniente ya que si es fuertemente compactada, puede llegar a ser casi impermeable al agua y podría permanecer relativamente seca. También puede formar grandes terrones que no se afianzan alrededor del conductor.

Los materiales que no debieran ser usados como relleno incluyen arena, polvo de coque, ceniza, muchos de los cuales son ácidos y corrosivos.

En algunas circunstancias, se requiere materiales de relleno especiales. Los materiales disponibles, y las recomendaciones respecto de su uso se incluyen en el capítulo 14.

4.6 Conexiones

Los electrodos de tierra tienen que ser conectados entre sí de alguna manera y es normal que sea vía cobre desnudo si es posible, ya que esto ayudará a reducir el valor de impedancia global. Las conexiones entre los diferentes componentes deben ser mecánicamente robustas, tener buena resistencia a la corrosión y baja resistividad eléctrica.

Es prudente evitar uniones y conexiones innecesarias. Debe considerarse el valor de corriente de falla y la duración de la falla que se espera que soporte el sistema de tierra. Varios estándares indican especificaciones para los materiales que son mínimos aceptables, por ejemplo, establecen que las coplas para barras de cobre necesitan un contenido mínimo de cobre de 80%. A continuación se explican en más detalle los métodos de unión que se emplean, incluyendo métodos mecánicos, bronceados (soldadura en fuerte), soldadura exotérmica y soldados por fusión autógena.

4.6.1 Conexiones mecánicas

Se usan comúnmente y pueden ser mecánicas (conexión apernada) o hidráulicas (compresión). Los conectores deben satisfacer los requerimientos de los estándares aplicables. El proceso de probar el cumplimiento de las normas involucra habitualmente una serie de pruebas de vida durante las cuales el conector es sometido a impactos mecánicos, eléctricos y térmicos. En consecuencia son factores importantes el diseño, tamaño y material usado - particularmente ya que tales conectores pueden permanecer invisibles en el terreno por cierto número de años, antes de que sean solicitados para operar. Es esencial una conexión eléctrica de baja resistencia, especialmente en sistemas de electrodos del tipo radial. Durante la mantención, se han descubierto conexiones con resistencia de más de 20 ohms. Claramente, esto perjudica el comportamiento del sistema de electrodos.

Cuando se apernan entre sí cintas de cobre, debe tenerse cuidando con el tamaño de las perforaciones efectuadas para acomodar el perno. Si son demasiado grandes, la capacidad de transporte de corriente de la cinta se perjudicará.

Por esta razón, los estándares y reglamentos de práctica normalmente limitan el diámetro de la perforación a un tercio del ancho de la cinta o menos.

Cuando se apernan metales diferentes (por ejemplo cintas de cobre y aluminio), las superficies deben ser minuciosamente limpiadas y protegidas por un inhibidor de óxido. Una vez efectuada la conexión, el exterior debe ser cubierto por pintura bituminosa u algún otro medio para proteger contra el ingreso de humedad. Cuando se une

cobre y aluminio, el cobre primero debe ser estañado. Una unión apernada de este tipo es actualmente el método recomendado preferentemente en los estándares para conectar metales diferentes, en el caso de instalaciones exteriores y en subestaciones eléctricas. Estas conexiones deben estar a una mínima distancia sobre tierra y no pueden ser enterradas.

Para unir distintos tipos de conductores, por ejemplo, barras de tierra a cinta o cable, se dispone de abrazaderas apropiadas. Estas deben tener un alto contenido de cobre. No deben usarse bandas metálicas.

En alguna oportunidad se usó uniones de tipo estañado y remachado. La cinta de cobre se perforaba, luego era estañada y remachada. Sin embargo, los remaches algunas veces se rompen y sueltan debido a vibración, etc. Este método de unión claramente no es recomendado para tratar los altos valores de corriente de falla encontrados ahora.

4.6.2 Conexiones bronceadas (soldadas en fuerte)

La conexión bronceada se aplica ampliamente al cobre y aleaciones de cobre. Este método tiene la ventaja de proporcionar una baja resistencia de unión la cual no se corroe. Actualmente, es el método preferido descrito por los estándares para conectar cintas de cobre en el interior de subestaciones. Sin embargo, es esencial que el bronceado sea efectivo. Puede ser difícil hacer una buena unión en terreno, particularmente donde están involucradas grandes áreas de sección transversal. Son esenciales las superficies planas limpias pues los materiales de bronceado generalmente no fluyen como la soldadura. Existe así la posibilidad de conexiones adecuadas sólo en los puntos de contacto, pero con vacíos importantes que quedan sin llenar. Para este trabajo es esencial una buena fuente de calor, particularmente para conectores grandes.

4.6.3 Uniones exotérmicas

Estas uniones se realizan mediante un molde de grafito que se diseña para ajustar el tipo específico de unión y el tamaño de los conductores. Usando una pistola con pedernal se enciende una mezcla de polvo de aluminio y de óxido de cobre y la reacción que se crea forma una unión de cobre virtualmente puro en torno a los conductores. La reacción de alta temperatura se produce en el interior del molde de grafito. Si se ocupa y mantiene adecuadamente, cada molde puede usarse para realizar entre 50 y 70 uniones. Este tipo de unión asegura los siguientes beneficios:

• proporciona una unión permanente, de baja resistencia eléctrica y resistente a la corrosión.

• la técnica empleada no requiere adiestramiento, relativamente.

• puede operar a alta temperatura, permitiendo eventualmente reducir el calibre del conductor.

Este tipo de unión actualmente no es siempre permitida para conectar cobre y aluminio en subestaciones. Los metales que pueden conectarse son acero inoxidable, bronce, cobre, acero con recubierta de cobre, acero galvanizado, bronce y riel de acero. Hay algunos aspectos de seguridad involucrados con este tipo de unión, pero la técnica se ha desarrollado rápidamente para controlarlos, por ejemplo, reduciendo la emisión de gas.

4.6.4 Conexiones soldadas en forma autógena

El cobre puede unirse por soldadura de bronce o soldadura al arco en presencia de gas.

La técnica de unión por soldadura de bronce es efectiva y de bajo costo, empleada primariamente para realizar uniones en terreno (por ejemplo en trabajos con tuberías de cobre). En esta técnica clásica, se usa bronce como metal de relleno para formar un enlace superficial entre las partes de cobre. La técnica emplea alta temperatura y un material de relleno que es el que más se ajusta al cobre. A pesar de que la soldadura de bronce puede usarse para conectar cobre a metales ferrosos, esto normalmente no se cumple para puestas a tierra.

Cuando necesita unirse componentes de cobre de mayor medida, entonces se usa soldadura autógena en ambiente gaseoso. El arco eléctrico proporciona el calor, mientras que el área en torno al electrodo y la soldadura es envuelta por un gas tal como argón, helio o nitrógeno. Esto reduce la oxidación que toma lugar durante el proceso de soldadura. El nitrógeno se usa ampliamente como el “gas inerte” cuando se solda cobre. Se requieren materiales de relleno especialmente desarrollados, que son reconocidos por su buen comportamiento al soldar cobre.

El aluminio puede ser soldado vía arco de gas inerte de tungsteno o arco de gas inerte de metal. La soldadura en frío a presión se usa algunas veces para unión entre aluminio.

4.7 Capacidad de transporte de corriente de falla

El tipo de unión puede influir en el tamaño del conductor usado debido a las diferentes temperaturas máximas permisibles para las distintas uniones. Por ejemplo, la máxima temperatura permisible para uniones apernadas es 250º C, para uniones bronceadas es 450ºC y 750 ºC para uniones soldadas, según la norma británica BS 7430 1991 Code of Practice for Earthing. Por lo tanto, si

considerásemos una corriente de falla de 25KA y una duración de 1 segundo, se requerirían los siguientes calibres de conductores según cada tipo de unión:

Claramente el método de unión empleado permite reducir costos mediante el uso de conductores de menor sección. Note, sin embargo, que la reglamentación adoptada debe revisarse en cuanto a que pueden citarse diferentes valores de la temperatura máxima permisible.

4.8 Facilidades para prueba e inspección

El acceso a las conexiones, puede facilitarse por medio de una cámara de inspección. Es prudente dejar una o dos cámaras de inspección en terreno sobre un electrodo horizontal para que posteriormente, si se requiere, pueda agregarse barras verticales.

Ahora se sugiere que las conexiones a secciones individuales importantes del sistema de tierra tengan una conexión de prueba accesible vía tales cámaras de prueba. La conexión debe tener una sección transversal circular alrededor de la cual pueda sujetarse una pinza de probador de impedancia. No se considera una práctica segura retirar las conexiones de pruebas mientras el sistema de tierra está conectado al equipo energizado.

Unidad V

5.1 Conducción de suelos

La conducción eléctrica a través de un material se define por su valor de conductividad o por su recíproco, la resistividad. La resistividad específica de un material es la resistencia al paso de una corriente continua entre las caras paralelas opuestas de una porción de material donde el largo y área de las caras es unitaria uniforme.

Entonces la resistividad de un suelo depende principalmente de la cantidad de agua atrapada, de la resistividad de esta agua considerando la presencia de sales en ésta y de otras características particulares del suelo. Se consideran importantes para su resistividad, las siguientes propiedades del suelo:

• Sales solubles

• Tipo de suelo.

• Contenido de humedad.

• Composición química y concentración de las sales disueltas en el agua.

• Temperatura.

• Granulometría del material que lo conforma.

• Compactibilidad.

Clasificando a grandes rasgos los suelos, se puede considerar que gran parte de éstos están formados por distintas mezclas de arenas, arcillas y rocas. Dependiendo de la cantidad de agua contenida por los diferentes minerales y de las características de estas aguas, la resistividad del suelo puede variar dentro de rangos muy amplios. La Tabla 2.1 indica rangos de resistividad de algunos tipos de suelos.

5.2 INSTALACIONES QUE DEBEN SER CONECTADAS A UN SPAT

Al sistema de puesta a tierra que corresponda según su clasificación se conectarán,

 Los tomacorrientes y las masas metálicas de una instalación eléctrica del cualquiera sea su tipo.

 Las estructuras metálicas y las armaduras de columnas y muros de hormigón.

 Las instalaciones interiores ejecutadas con conducciones metálicas correspondientes a los servicios de agua y calefacción así como calderas, depósitos, instalaciones de ascensores y montacargas, y en general toda estructura metálica sea de índole fija, móvil o provisoria que pueda quedar accidentalmente bajo tensión.

 Las instalaciones de pararrayos

 Las instalaciones de radioeléctricas en general.

5.3 INSTALACIONES ELÉCTRICAS EN LA INDUSTRIA DE LA MINERÍA

Los sistemas eléctricos en la industria minera se caracterizan por su complejidad y por estar sujeta a restricciones legales, tales como la CSA M421-00 (canadiense), la 30 CFR (estadounidense). Los equipos de minería por lo general son móviles y motorizados, la mayoría se alimenta eléctricamente a través de cables portátiles y, por seguridad, deben ser parte de un sistema de puesta a tierra elaborado.

Las máquinas y equipos de distribución de energía rara vez son fijos y deben resistir niveles extremos de polvo, la humedad y las vibraciones. Las cargas eléctricas de la maquinaria de minería son cíclicas y pueden ser extremadamente variables. El escenario de la minería es de constante movimiento, donde la distribución de la energía permanentemente se traslada, y el riesgo de accidentes está siempre presente.

El diseño y el mantenimiento de dicho sistema eléctrico son exigentes y difíciles. Se requiere un especialista con conocimientos tanto de minería como de ingeniería eléctrica.

También la gestión eficaz de una mina requiere que la persona responsable de la producción y la seguridad esté familiarizada con el sistema eléctrico de minas.

El ingeniero requiere un sólido conocimiento de los sistemas de alimentación eléctrica de minas, pero esta comprensión no puede basarse en un sistema eléctrico normalizado, pues dicha norma no existe: no hay dos minas que sean exactamente iguales. El ingeniero tiene que recurrir a los conceptos fundamentales, las experiencias anteriores de lo que ha funcionado en el pasado, y una clara comprensión de las limitaciones legales.

5.3.1Equipos de distribución eléctrica

La evolución de los sistemas eléctricos de las minas se ha reflejado en la definición de equipos eléctricos, donde cada uno cumple una función específica. Un esquema del sistema se puede observar en la Figura 5 y los equipos se pueden enumerar como:

1) Centros de poder.

2) Celdas de maniobra

3) Subestaciones principales.

4) Subestaciones portátiles.

5) Distribución (conductores y conectores).

6) Generación.

5.3.1.1 Centro de poder

El centro de poder es una de las unidades más importante del sistema eléctrico para las minas subterráneas y, en menor grado, para minas rajo abierto. Su función principal es convertir la tensión de alimentación a la tensión de utilización de los equipos que operan a lo largo de la mina. También debe incorporar circuitos de protección para garantizar una operación segura, eficiente y confiable. La Figura 6 muestra un de estos equipos.

Los componentes eléctricos del centro de poder suelen tener un encapsulado metálico (metal clad), es decir, que se encuentran en una caja de acero de alta resistencia. Los terminales o acopladores enchufables se encuentran comúnmente en cada extremo del centro de poder permitir el traslado a medida que avanza la mina o para retirar el equipo (ver Figura 7).

El centro de poder en minas rajo abierto consta de componentes al aire libre montado en subestaciones portátiles con una cerca o puertas para impedir la entrada no autorizada. La Figura 8 muestra los componentes internos típicos de un centro de poder de minas, para luego describirlos brevemente.

a) Compartimiento de alta tensión

El desconectador es operado mecánicamente o con aire comprimido. Su función principal es permitir desconectar rápidamente el primario del transformador de potencia de la unidad.

b) Fusibles limitadores de corriente

Se utilizan normalmente en los centros de poder de las minas para proteger el primario del transformador. Con altas corrientes de falla, operan muy rápidamente, y sólo una parte del corto circuito se pasa a través de éste.

c) Los descargadores de sobretensiones (surge arresters)

Se utilizan para proteger el transformador de sobretensiones transitorias, que pueden ser causadas por rayos, sobretensiones de maniobra, y algunos tipos de fallas. La función de un descargador de sobretensiones es mitigar la energía asociada a una sobretensión transitoria, limitar e interrumpir la corriente transitoria que fluye del pararrayos, y volver a las condiciones normales sin interrumpir el suministro de energía a la carga. Este equipo debe coordinarse con el nivel de aislamiento (nivel de impulso básico) del transformador.

d) Transformador de potencia

El transformador se considera el equipo principal del centro de poder ya que su función es convertir el nivel de la tensión de distribución a aquellos niveles utilizados por las máquinas de la mina. La selección adecuada es imprescindible desde el punto de vista de la seguridad, eficiencia y fiabilidad.

Todos los transformadores de centros de poder de minas normalmente son trifásicos debido a que presentan menores costos, mayor eficiencia, ocupan menos espacio, y tienen menos interconexiones expuestas que tres unidades monofásicas.

Delta primaria y secundaria en estrella son las conexiones estándar preferidas para estos transformadores. La estrella secundaria es un medio fácil para la puesta a tierra, y el primario conectado en delta proporciona el aislamiento del circuito de distribución con el de consumo desde el punto de vista de las corrientes de tierra.

La conexión delta-estrella también estabiliza el punto neutro secundario y reduce al mínimo la producción de tensiones armónicas.

e) Compartimiento de interruptor de baja y media tensión

Se utiliza normalmente interruptores dentro de un encapsulado metálico (molded case) para proteger los equipos AC y los cables correspondientes para aplicaciones de hasta 1000 V.

Para tensiones superiores a 1000 V requiere interruptores de vacío o en aceite. Los interruptores encapsulados también se utilizan para aplicaciones de 300 V de corriente continua.

Los interruptores protegen tanto cortocircuitos como sobrecargas. Existen otros equipos de protección externos, como el relé de falla a tierra o un control de verificación de tierra, pueden utilizar el mismo disparador de mínima tensión del interruptor.

La selección de los interruptores automáticos encapsulados se basa en el voltaje, frecuencia, capacidad de interrupción, valor promedio de corriente continua, y la configuración del disparo.

f) Protección de falla a tierra

La Figura 8 muestra la protección por falla a tierra en cada circuito de salida. El relé de secuencia cero es el método más común de detección de falla a tierra. Con este método, los conductores de tres líneas pasan a través de un transformador de corriente de tipo ventana, y el secundario del transformador de corriente está conectado a un relé de falla a tierra. Los contactos normalmente abiertos del relé están conectados en serie con el relé de mínima tensión del interruptor en un encapsulado metálico. Si se produce una falla a tierra, los sensores del transformador de corriente notarán un desequilibrio en los conductores de tres líneas, activando el relé de disparo a tierra. Los contactos del relé de disparo de tierra después abren y desactivan el relé de mínima tensión que se traduce en disparo del interruptor encapsulado.

g) Monitor de conductor de tierra e hilo piloto

En la Figura 8 se indica el control de verificación de tierra de cada circuito de salida. Su objetivo es vigilar constantemente la continuidad del hilo piloto (conductor de verificación a tierra), pues la corriente de falla en un equipo remoto debe regresar por este conductor, y no por el terreno. El hilo piloto consiste en un conductor que forma parte de los cables de alimentación de los equipos y se utiliza como indicador de la continuidad del conductor de tierra.

Los monitores de uso común en la minería son los tipos de impedancia y tipos de continuidad. Los monitores de impedancia requieren el cable flexible para tener un hilo piloto. El monitor se calibra a la impedancia del bucle formado por los conductores piloto y puesta a tierra. El dispositivo controla el cambio de impedancia según la calibración inicial. Si la impedancia del circuito aumenta más allá de un valor prefijado, el monitor ordenará el disparo del interruptor asociado mediante contactos en serie con el relé de mínima tensión. Los monitores de continuidad, también llamados monitores inalámbricos o sin piloto, no requieren de un hilo piloto. El monitor genera una frecuencia de audio que se junta con el conductor de puesta a tierra por medio de una bobina transmisora. Si el conductor de puesta a tierra está abierto, la bobina receptora no captará la señal, y el monitor hará una serie de contactos para abrir en el circuito de baja tensión de su interruptor asociado.

5.3.1.2 Celdas de maniobra

Las Celdas de maniobra son equipos portátiles que protegen y proporcionan un medio para la segregación del sistema de distribución eléctrico. Los componentes de una Celda de maniobra (Figura 2.7) se encuentran dentro de un encapsulado metálico, de construcción similar a la de los centros de poder de mina. La Figura 2.18 muestra un de estos equipos.

Los componentes internos consisten en unidades visibles de desconexión y protección. Al igual que con los centros de poder, la función principal del interruptor es desconectar manualmente, desde el equipo, la energía desde la mina al alimentador respectivo, que está conectado al sistema de distribución. Se secciona para la ramificación de la distribución y proveer protección al sistema de distribución mediante relés de protección en cada ramificación.

El componente principal es el interruptor. Los interruptores de vacío y de aceite se utilizan en las Celdas de maniobra, pero los interruptores de vacío son los más utilizados. Los relés de protección en una celda de maniobra deben coordinarse con otros equipos de protección aguas arriba y aguas abajo. A diferencia de los interruptores encapsulados, los dispositivos de sobrecorriente no son una parte integral del interruptor de alta tensión.

5.3.1.3 Subestaciones

Es una práctica común de la minería comprar toda o la mayor parte de energía eléctrica a las empresas de servicios públicos. Los componentes típicos de una subestación para la minería se muestran en la Figura 2.21. La subestación principal corresponde a la que se alimenta directamente de las líneas de transmisión, y reduce la tensión a valores menores para la alimentación de los sistemas de subtransmisión o redes de distribución. Puede variar su capacidad desde 500 kVA con suministro de 380 V sólo para las bombas y cintas transportadoras, hasta 50000 kVA para la operación de minas de gran superficie y plantas de procesamiento. La Figura 2.20 muestra una subestación principal.

CAPITULO VI

Sistemas de puesta a tierra en minas

El concepto de la protección de personas o equipos eléctricos de minas frente a fallas eléctricas mediante conexión a tierra adecuada, ha existido desde que la electricidad se introdujo en las minas. Ya en 1916, la Oficina de Minas de EE.UU. recomienda el uso de puesta a tierras como un medio de prevenir una descarga eléctrica a los mineros que trabajan con equipos eléctricos o cerca de ellos. Para la industria minera, un sistema de puesta a tierra adecuada siempre ha sido un problema complicado, ya que es más compleja y difícil que en otras industrias.

2.3.3.1. Mallas de tierra

En las minas, los cables de distribución eléctrica y los circuitos de transmisión aérea llevan a la mina uno o más conductores de puesta a tierra, además de los conductores de línea. Cada pieza de un equipo AC tiene su estructura sólidamente conectada través de estos conductores a una malla de tierra de seguridad comúnmente situada cerca de la subestación principal y que consiste en enterrar conductores horizontales, varillas de tierra, o una combinación de ambos. El neutro del secundario del transformador de la subestación, también está conectado con la malla de tierra de seguridad.

La subestación en realidad requiere de dos mallas de tierra, como en la Figura 2.21, instaladas a cierta distancia. Las descargas atmosféricas y otras descargas del transformador en el lado primario son dirigidas a la puesta a tierra del sistema o de la estación. La puesta a tierra del sistema y la puesta a tierra de seguridad deben mantenerse separadas de modo tal que el flujo de corriente que pasa por una, no afecte en la otra (acoplamiento). Es esencial para la operación segura del sistema eléctrico de minas que la resistencia de las mallas de tierra sea

menor a 5,0 . Una malla de tierra dentro de este rango de resistencia a menudo se le denomina malla de tierra de baja resistencia.

2.3.3.2. Puesta a tierra en minas de superficie

El sistema de puesta a tierra típico de una mina a rajo abierto es similar a la de la minería subterránea. Una o más subestaciones se emplean para transformar la tensión de línea de entrada a un potencial más bajo utilizado por las máquinas de la minería. En este nivel de tensión, la distribución se realiza por líneas aéreas o cables de suministro de las celdas de maniobra ubicadas cerca de un equipo particular. Los cables de arrastre completan el circuito de alimentación de la celda de maniobra a la máquina. Una celda de maniobra a veces se conecta por cable a una subestación portátil que suministra la energía a más baja tensión a la producción, equipos auxiliares, o iluminación. Las puestas a tierra de las subestaciones presentan mallas de tierra de sistema y de seguridad, que están físicamente separadas y eléctricamente aisladas entre sí como también de otras puestas a tierra de la mina.

2.3.3.3. Puesta a tierra en minas subterráneas

Antiguamente en la minería subterránea se utilizaba como puesta a tierra una varilla de metal en el piso de la mina. En casi todos los casos, este sistema demostró ser inaceptable desde el punto de vista de la seguridad, pues la resistencia de contacto de la maquinaria minera con el piso de la mina es demasiada alta para una puesta a tierra adecuada. Como solución, Griffith y Gleim (1943) propusieron que la puesta a tierra de una mina subterránea debe ser ubicada en el exterior, es decir, en la superficie. Dicha práctica actualmente se utiliza en la minería.

Una forma simple de conexión a tierra es suministrar la energía a los equipos mediante cables trifásicos que entran a la mina, provenientes de un transformador. Dicha energía llega a equipos AC y a los rectificadores. Excepto por el sistema de transporte férreo, todas las carcasas de equipos alternos y continuos están conectados a una salida común que llega a la malla de tierra de seguridad en la superficie. Para que el sistema sea eficaz, los conductores de puesta a tierra deben ser permanentemente monitoreados para verificar la continuidad.

El sistema férreo generalmente utiliza los cables aéreos como conductor positivo y los rieles como negativo. Ninguno de estos está conectado a la tierra de los marcos de las unidades rectificadoras. Sin embargo, debido a que los rieles están en contacto con el suelo de la mina, el conductor negativo del sistema férreo está puesto a tierra.

En cada etapa de transformación de voltaje del sistema, tal como en los centros de poder, un punto neutro adicional debe establecerse en el secundario del transformador. El neutro se conecta a través de una resistencia de puesta a tierra al marco de los equipos, luego a los conductores de tierra, para llegar finalmente a la malla de tierra de seguridad de la superficie.

50

2.3.4. Plantas de procesamiento de minerales

Las actividades en la superficie de las minas, que pueden incluir tiendas, oficinas, ventiladores, equipos de elevación, las plantas de procesamiento, y así sucesivamente, pueden tener grandes necesidades de energía. Por razones de seguridad, estas instalaciones deberán tener al menos una fuente de alimentación aislada y, a veces, una subestación independiente.

En las plantas de procesamiento de minerales, los esquemas de distribución utilizados generalmente son radial ampliado o selectivo secundario. El diseño del sistema se muestra en la Figura 2.31. En tanto, la tensión de distribución se encuentra en 2,4 a 13,8 kV, donde la más común es 4160V. La energía se distribuye a los centros de carga eléctrica. Esta energía puede ser consumida directamente por motores, pero usualmente se utiliza para alimentar a grupos motores o motores de una alta potencia. Los centros de poder deben estar en un lugar elevado o totalmente cerrados debido al ambiente presente en estas plantas (temperatura, gases, polvo, etc.).

Figura 2.31: Sistema de distribución radial aplicado a planta de procesamiento mineral

2.3.4.1. Electrificación en plantas de reducción de tamaño y concentración

Debido a que los minerales se encuentran asociados a la ganga (conjunto de minerales no metálicos que acompañan al mineral a extraer), se hace necesaria la reducción de tamaño de manera que exista una liberación de los granos mineral desde la matriz. La reducción de tamaño

51

es la etapa de mayor consumo energético, por lo que ella debe ser óptima para asegurar una buena liberación de las partículas y evitar la sobremolienda que provocaría un aumento en el consumo energético, además de generar partículas demasiado finas, las que perjudican la etapa global de concentración.

La reducción de tamaño comienza con el chancado primario de grandes trozos de mineral por acción de fuerzas de compresión. Como el producto generado tiene un tamaño demasiado grande para el tratamiento metalúrgico de concentración, se hace necesario etapas posteriores de molienda, con el objeto de obtener un tamaño optimo.

Por ser una operación en seco, se crea un ambiente de polvo en chancadores y traspasos. Los equipos eléctricos deben ser blindados a prueba de polvo y tener una mantención rigurosa. Todos los sistemas deben estar conectados a las tierras de los diferentes transformadores que los alimentan. Por existir numerosas partes móviles, chancadores, cintas transportadoras y parrillas, deben existir sistemas de detención de fácil uso y de rápido funcionamiento, para proteger al personal. La Figura 2.32 muestra una planta de chancado.

Figura 2.32: Planta de Chancado

El proceso de concentración tiene como objetivo la recuperación de los metales de interés presentes en un mineral extraído de un yacimiento. Las plantas de concentración en general se dividen en dos partes, una parte seca y otra húmeda.

52

La parte seca generalmente concentradores gravimétricos que se basan en las características de diferencia de densidad de los elementos contenidos en materiales heterogéneos, es decir que se basa en el mayor peso, influenciados por la fuerza de la gravedad, de un elemento con respecto a otros. Existen sistemas de recuperación gravimétrica se basa en el incremento de la gravedad por la aplicación de fuerza centrifuga, lo que multiplicado por la alta densidad de los metales preciosos permite que las densidades proyectadas tenga un mayor diferencial entre uno y otro elemento centrífugos o mesas de aire. La parte seca tiene las mismas precauciones que el caso de las plantas de reducción de tamaño. La Figura 2.33 muestra una planta de concentración.

Figura 2.33: Planta de Concentración

La parte húmeda, tal como dice su nombre, es una zona que se trabaja con gran cantidad de agua, y corresponde al proceso de concentración de flotación.

La flotación es un proceso de separación de materiales de distinto origen que se efectúa desde sus pulpas acuosas por medio de burbujas de gas y a base de sus propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas. Se puede efectuar la separación de varios componentes en dos grupos: flotación Colectiva donde el concentrado contiene a lo menos 2 ó más componentes y flotación Selectiva donde se efectúa una separación de compuestos complejos en productos que contengan no más de una especie individual. Normalmente, consiste en un circuito celdas de flotación, espesadores, filtros y gran cantidad de bombas de agua y pulpa.

53

Como la humedad hace más peligroso el uso de energía eléctrica, todos los motores eléctricos deben ser blindados y protegidos contra la humedad. Debe existir una buena conexión a tierra con las mallas de los diferentes transformadores y sus protectores diferenciales deben estar bien mantenidos.

2.3.4.2. Electrificación en plantas de lixiviación

El término lixiviación es el proceso que consiste en disolver el elemento que se quiere recuperar y retirarlo de la solución. Esto puede ser impuro, como los cementos, o puro, como los cátodos. La Figura 2.34 muestra una planta de lixiviación.

Figura 2.34: Planta de lixiviación

Para lixiviar existen tres métodos, uno a base de pilas que se riegan con el líquido disolvedor, otro es percolación que consiste en piscinas donde circula el agente disolvedor y el tercero es agitación que consiste en un tambor que se carga con material fino y al girar mejora la mezcla con el líquido.

En general, los motores son del sistema de chancado que deben cumplir lo indicado en las plantas de concentración seco y el resto es movimiento de soluciones y/o ácidos mediante bombas y mangueras. Muchos ácidos tienden a vaporizarse y producen aerosoles los que pueden afectar las instalaciones eléctricas y motores, disminuyendo su aislamiento.

Capítulo especial es la planta de extracción por Solventes donde se trabaja en un ambiente combustible que es muy fácil de inflamar. Por esa razón, el Servicio Nacional de Geología y Minería de Chile exige que los circuitos eléctricos en la plantas de extracción por Solventes sean

54

“Intrínsecamente seguras (Flame Proof)”. Estas plantas en su gran mayoría están en lugares secos. Por lo tanto, el hombre con sus movimientos puede cargarse eléctricamente. Deben instalarse en el sector cables de cobre conectados a tierra y el personal cada cierto tiempo debe tocarlo para descargarse. El personal debe usar ropa adecuada para evitar cargarse con electricidad estática.

2.3.4.3. Electrificación de fundiciones

La fundición es un proceso pirometalúrgico cuyas aplicaciones se recomiendan en el caso de metales de alta ley tales como concentrados diversos. En esta planta los metales son colectados por fusión debido a altas temperaturas, de modo que se concentra en el fondo del recipiente que los contiene, usualmente un crisol.

Estas instalaciones se caracterizan por las altas temperaturas del sector; por eso, los circuitos e instalaciones eléctricas, sobre todo las más cercanas a los hornos, deben tener protección contra la temperatura. Los diferenciales y circuitos a tierra deben calcularse pensando que gran parte de la estructura, pasillos y escaleras son de fierro. La Figura 2.35 muestra una planta de fundición.

En la mayor parte de las fundiciones existen plantas de ácido sulfúrico y en ese lugar, el ambiente tiene aerosoles de ácido. Las aislaciones de los equipos eléctricos deben ser resistentes al ácido.

Figura 2.35: Planta de fundición

55

2.3.4.4. Electrificación de refinerías y plantas de electro-obtención

La refinación electrolítica es un proceso de purificación de los metales, que consiste en la aplicación de corriente eléctrica, para disolver el metal impuro, en una celda electrolítica, y depositarlo selectivamente en forma muy pura sobre los cátodos. Parte de las impurezas que acompañan al metal pasan a la solución acuosa, el resto pasa al barro anódico. La Figura 2.36 muestra una planta de refinación electrolítica.

Figura 2.36: Planta de refinación electrolítica

La electro-obtención es un proceso de recuperación de un elemento metálico desde una solución de sus iones, mediante el uso de corriente eléctrica. La electro-obtención se caracteriza por la utilización de ánodos prácticamente insolubles, sobre los cuales se produce la reacción de oxidación, la que frecuentemente corresponde a la oxidación de agua. Además, emplea cátodos de acero inoxidable, sobre los cuales se deposita el metal. La electrolisis se lleva a cabo en celdas especiales, a través de las cuales se hace circular la solución portadora de la especie disuelta del metal, previamente purificada y concentrada. La Figura 2.37 muestra una planta de electro-obtención.

En estas plantas se usa corriente continua para establecer celdas que pueden ser de refinación o electro-obtención. La energía se baja al voltaje adecuado y después, los rectificadores la convierten en corriente continua. Como normalmente es un ambiente ácido, todo el sistema eléctrico debe ser a prueba de ácido.

56

Figura 2.37: Planta de electro-obtención

2.3.4.5. Electrificación de talleres y campamentos

Debe cumplirse con todo lo que establece el Reglamento de Servicios Eléctricos para construcción de casa habitación y lo mismo con los talleres.

2.4.1. Estadísticas de accidentes de Puestas a tierra

De los 204 accidentes relacionados con puestas a tierra, sólo 129 en verdad representan un problema de puesta a tierra, los otros participan en el accidente pero no son la causa de éste. Estos 129 accidentes de tierra se agrupan en ocho categorías causales:

• Falla al desenergizar los equipos (intencionalmente o no) antes de realizar trabajos con lapuesta a tierra - 47 casos.

• Defectos del sistema de puesta a tierra, componentes, o aislación de equipos - 29 casos.

• Usando equipos de prueba o medida en las puestas a tierra - 13 casos.

• Defectos de puesta a tierra de equipo móvil - 13 casos.

• Defectos de los conductores de la puesta a tierra - 12 casos.

• Defectos de los cables portátiles de la puesta a tierra - 3 casos.

• Causas desconocidas - 8 casos.

• Soldadura - 4 caso

Como análisis se observa que los accidentes eléctricos son altamente fatales en la minería, dentro de los cuales los accidentes de puestas a tierra son la cuarta causa. Es por esta razón que el siguiente capítulo se analizará los problemas de puestas a tierras propios de la industria minera y las posibles soluciones a estos.

Capitulo VII

Acoplamiento entre puestas a tierra en minas

El uso de mallas de tierra y otras técnicas para limitar los potenciales de contacto y de paso dentro de una subestación o una zona de trabajo reciben una atención importante. En una industria donde los trabajadores están en un edificio o en un área fija, los riesgos de shock eléctricos pueden ser mínimos mediante el establecimiento de una superficie equipotencial en toda el área de trabajo. Esto se puede lograr simplemente uniendo todos los conductores del área de trabajo que no estén específicamente destinados a transportar potencia o señales de comunicación y que no estén aislados. Así, todas las estructuras de acero y las barras de refuerzo del concreto en un edificio están unidas entre sí, las tuberías de agua y gas se conectan, y cualesquiera otras estructuras están unidas a tierra. Los riesgos de shock eléctricos se eliminan porque todo en el área de trabajo está al mismo voltaje. Si los rayos golpean al edificio o si se produce una falla a tierra, todo el entorno de los trabajadores puede subir a una tensión elevada, pero al igual que las aves en una línea eléctrica están seguros porque no existe diferencia de voltaje entre los objetos que ellos pueden tocar en ese momento.

La situación en las áreas de trabajo de una mina es diferente. En la mayoría de los casos los únicos conductores eléctricos presentes son las carcasas de los equipos en operación. A fin de limitar las sobretensiones sobre las aislaciones y proporcionar un método para detectar las fallas a tierra, estos equipos están ligados a la puesta a tierra del sistema de alimentación en la fuente de energía de la mina, que puede estar muy lejos de la zona de trabajo. Es muy difícil, o al menos poco práctico, garantizar que el piso y los muros de la mina estén bien conectados a la tierra del sistema de alimentación, ya que hay pocas vigas y barras de refuerzo de acero interconectadas que estén incrustadas en dichos lugares de la mina. Por lo tanto, la protección del trabajador no se puede asegurar mediante el establecimiento de una superficie equipotencial bien conectada que incluye tanto los pisos de la mina y los marcos de los equipos. En consecuencia, el criterio de seguridad adoptado es que el terreno de las minas debe mantenerse en todo momento a un potencial absoluto de seguridad. De este modo, si los

61

equipos que trabajan en la superficie o dentro de la mina y mueven los materiales del suelo de la mina presentan potenciales de seguridad independientes, entonces la diferencia entre estos se puede mantener segura también.

Así, las puestas a tierra en las minas deben ser diseñadas para limitar los potenciales a valores seguros, incluso durante la caída de rayos y fallas a tierra, un problema mucho más difícil que mantener un edificio a un mismo potencial. Esta puesta a tierra de alta calidad para las áreas de trabajo es comúnmente conocida como "puesta a tierra de seguridad en las minas". Para garantizar que la tierra de seguridad no se energice a un nivel peligroso durante un golpe de un rayo a una línea de alimentación de entrada o durante una falla a tierra en el sistema de energía primaria de la mina, las regulaciones indican que la puesta a tierra de seguridad esté aislada eléctricamente de la puesta a tierra de la subestación y de los pararrayos [30]. Además, la malla de tierra de seguridad deberá estar separada físicamente de las otras mallas de tierra en al menos 8 m (25 pies) [22]. Esta indicación se discutirá más adelante en este capítulo.

A pesar de los intentos de limitar los potenciales manteniendo una separación de las puesta a tierra entre instalaciones de superficie y subterráneas, grandes estructuras conductoras tales como carcasas de montacargas y de cintas de transporte, líneas de agua, y rieles de transporte de carga pueden acoplar potenciales desde un sistema de puesta a tierra a otro. En muchos casos, los esfuerzos realizados para mantener la separación de las puestas a tierra, no han dado buenos resultados y los potenciales entre puestas a tierra siguen acoplados.

3.1. Mecanismos de acoplamiento entre puestas a tierra

Si la tensión que aparece en una puesta a tierra que no sea la puesta a tierra de seguridad provoca que una tensión aparezca en esta última, entonces ambos sistemas están "acoplados". Si sólo una fracción de la tensión en un sistema de tierra se transfiere a la otra porque el acoplamiento es pequeño, entonces el riesgo de electrocución para los trabajadores será menor. En el pasado la MSHA ha intentado garantizar que el acoplamiento sea lo suficientemente bajo al exigir que las mallas de tierra estén físicamente separadas por lo menos a 8 m. Algunos inspectores exigen también que la resistencia medida de la malla de tierra de seguridad no sea más que 5 . Estos criterios no garantizan que el acoplamiento sea pequeño, ya que los sistemas de tierra pueden estar estrechamente unidos de varias otras formas.

62

3.1.1. Interconexión directa accidental

Las puestas a tierra pueden interconectarse por dos situaciones: errores de cableado, o bien, por fallas de aislación dentro de la subestación, la resistencia de puesta a tierra del neutro, o las tuberías de los pozos. Las medidas tradicionales de resistencia de la malla de tierra no detectan este problema. Menos evidentes son las interconexiones directas que se producen a través de las carcasas de los montacargas, cintas de transporte, o líneas de agua. Estas estructuras se puede extender como un conductor directo desde las instalaciones de superficie (donde suelen estar conectadas a la subestación o a la puesta a tierra del edificio) a los alrededores de la mina (en el que están conectadas la puesta a tierra de seguridad). Aunque estas conexiones entre ambas puestas a tierra no son “directas”, frecuentemente las grandes dimensiones de las mallas de las minas generan un acoplamiento de todos modos.

3.1.2. Objeto conductor intermediario

El acoplamiento puede ser mediante un gran objeto conductor que no está directamente conectado con ninguna puesta a tierra. Si este conductor se encuentra lo suficientemente cerca de la puesta a tierra de una subestación, las tensiones pueden acoplarse a este objeto rápidamente, el cual puede estar lo suficientemente cerca de la tierra de seguridad. Luego la tensión de esta tierra se acopla a la del objeto, produciéndose un acoplamiento significativo entre puestas a tierra existentes.

Estos conductores intermediarios pueden ser rieles de líneas férreas, tubos de pozos, tuberías, y tubos de transporte de desechos (el hormigón armado húmedo es un conductor relativamente bueno, tan bueno que puede ser utilizado efectivamente para los electrodos de tierra). El acoplamiento de este tipo puede ocurrir de muchas maneras, por consiguiente es difícil tener la certeza de su existencia sin medir directamente.

El decreto Nº132 del Ministerio de Minería indica que toda maquinaria fija, línea férrea (ferrocarril no electrificado), cañerías de aire y de agua instaladas en el nivel, las estructuras metálicas y artefactos metálicos, deberán ir conectados eléctricamente al cable de tierra [30]. Sin embargo esto no elimina la posibilidad de acoplamiento entre puestas a tierras.

3.1.3. Insuficiente separación

El acoplamiento entre los electrodos en la tierra (mallas de tierra) es principalmente una función de las dimensiones físicas de las mallas. La norma de la MSHA determina que una separación de 8 m es adecuada para asegurar que el acoplamiento sea mínimo entre las típicas minas de baja resistividad del suelo, pero no puede garantizar la adecuada separación bajo otras

63

condiciones. El acoplamiento está directamente relacionado con el tamaño; si las mallas de tierra de seguridad y de la subestación se duplican en tamaño (cada dimensión lineal es del doble), entonces se tienen que mover dos veces más lejos para evitar un aumento en el acoplamiento. Se ha visto en varias minas que la puesta a tierra es de una superficie muy grande (que cubre una fracción significativa de una hectárea). Eliminar el acoplamiento de potencial al mover la malla de tierra de seguridad sería muy costoso y probablemente puede causar más riesgos de los que eliminaría. Afortunadamente, el gran tamaño de estas mallas de tierra hace disminuir los riesgos de electrocución (se indicarán más adelante en este capítulo) ya que se contrarresta el riesgo de descarga eléctrica causada por aumentar el acoplamiento.

3.2. Dificultades en la reducción del acoplamiento

En algunos casos, el acoplamiento entre puestas a tierra puede reducirse significativamente sin necesidad de grandes modificaciones ni inversiones. Tal es el caso de interconexiones directas debido a errores en el cableado de las fallas de aislamiento. Estos problemas se deben encontrar y reparar, si es necesario, para que las puestas a tierra de la mina permanezcan desacopladas.

Se indica a continuación algunos mecanismos que podrían ayudar a reducir el acoplamiento.

3.2.1. Junturas de material aislante

En ciertos casos el acoplamiento se produce a través estructuras metálicas (acoplamiento provocado por interconexión directa o como un objeto conductor intermediario) como por ejemplo las tuberías de agua o pozos. Algunas minas han tratado de desacoplar las puestas a tierra mediante la inserción de una juntura de material aislante en cada unión de las tuberías. La eficacia de esta medida es muy limitada, por el hecho de que la mayoría de estas tuberías y estructuras están en contacto con la tierra. Este contacto con la tierra, que es conductora, permite que la corriente que fluye en la estructura pueda eludir las junturas utilizando como camino la tierra. La Figura 3.1 muestra un esquema del flujo de corriente en la tierra en torno a una juntura de material aislante.

Se ha calculado que para una tubería de 8 pulgadas de diámetro enterrada horizontalmente en un suelo de resistencia homogénea uniforme de 400 -m, con solamente una juntura de material aislante de 2.5 cm de grosor a los 15 metros, agrega alrededor de 11 a la resistencia de extremo a extremo de una estructura de 30 m. Si el tubo se llena de agua altamente mineralizada, común en la minería, la resistencia podría ser significativamente más baja. El acoplamiento entre puestas a tierra causado por una estructura metálica o de concreto

64

reforzado que está en contacto con la tierra en una porción sustancial de su longitud no puede ser eliminado mediante la inserción de estas junturas de material aislante.

Figura 3.1: Flujo de corriente a través de la tierra sobrepasando la juntura aislada de la tubería

3.2.2. Cubiertas y revestimientos no conductores

El acoplamiento entre puestas a tierra puede ser eliminado por el uso de materiales no conductores en las estructuras intermedias que causan acoplamiento. Dichos materiales pueden ser caucho, plástico, madera seca, y fibra de vidrio. Sin embargo, estos materiales solo se emplean en aplicaciones como líneas de agua y tubos protectores. Los materiales no conductores actualmente no son permitidos como sustitutos del acero ni del hormigón.

3.2.3. Dimensiones de los sistemas de puesta a tierra

Si se consideran sistemas de puesta a tierra en contacto con el suelo, pero sin interconexiones entre estos, se puede demostrar que el grado en que el voltaje en un sistema de tierra se ve afectado por la tensión en el otro sólo depende fundamentalmente del tamaño y la forma de la puesta a tierra. Este aspecto particular de la puesta a tierra no está bien entendido por la mayoría y no es considerado por el reglamento actual de la MSHA. Si las puestas a tierra son amplias, entonces es muy probable que estén acopladas, y los intentos de mantener la separación no pueden mejorar significativamente la seguridad.

65

3.3. Acoplamiento entre electrodos grandes

La Figura 3.2 muestra un modelo simple de análisis, representando una malla de tierra por una semiesfera afectando un pequeño conductor a una distancia d del centro de la esfera de radio r, que lleva una corriente I.

Figura 3.2: Acoplamiento de voltaje en un conductor remoto generado por una malla representada por una semiesfera

Considerando un terreno homogéneo, el voltaje inducido en un conductor remoto está determinado por el voltaje del electrodo que lleva la corriente I y la razón de su tamaño respecto de la distancia al conductor afectado, el que se puede calcular como [10]:

Esto lleva a la conclusión general de que la tensión de acoplamiento en un conductor en un punto, está determinado por la tensión de la semiesfera y la razón entre su tamaño, y la distancia al punto remoto. Por lo tanto, si la malla que conduce la corriente es grande, puede inducirse voltajes sobre grandes distancias.

3.4. Criterios generales de seguridad

Dado que cada mina es una mezcla única de las exposiciones de descargas eléctricas, fallas probables y limitaciones del medio ambiente, no hay recomendaciones universales que se puedan hacer sobre la interconexión de los sistemas de tierra. Sin embargo es posible establecer algunos criterios generales respecto a las condiciones de seguridad:

66

Si el acoplamiento de voltaje estimado entre la puesta a tierra de la mina y la puesta atierra de la subestación es alto y no puede ser reducido significativamente, la seguridad de las personas se mejora interconectando sólidamente ambas tierras.

Si el acoplamiento de voltaje estimado es menos de 33% y es improbable que untrabajador pueda estar en contacto simultáneamente con ambas tierras, es preferible mantener las tierras separadas. Igualmente, si la medida de resistencia de ambas tierras interconectadas es menor que la resistencia medida entre las tierras (desconectadas)[10]

Los potenciales de shock pueden aparecer de muchas maneras en los sistemas de tierra oentre sistemas de tierra; por otro lado existen muchos requisitos para reducir todas las posibilidades de riesgo global sin que puedan evaluarse con cierto grado de confianza. Como existe poca evidencia en las estadísticas de accidentes eléctricos de minas para determinar que la separación es mejor o peor que la interconexión, no parece haber ninguna razón de peso para intentar cambiar un sistema de tierra a otro modo. Entonces si se puede conseguir un bajo acoplamiento y una buena aislación eléctrica, se recomienda la separación.

Cabe destacar que estas recomendaciones excluyen el caso de acoplamiento entre la puesta a tierra de servicio y la de protección, pues la norma chilena impide esta situación.

La medición de acoplamiento se realiza energizando una malla de las dos mallas (malla 1) respecto de su tierra remota, que fuera también tierra remota de la otra malla con que se medirá el acoplamiento (malla 2) y midiendo respecto de esta tierra remota, la elevación de potencial de la malla 2. Luego la razón entre el voltaje medido en la malla 2 y la corriente que se ingresó para energizar la malla 1, corresponde a la resistencia mutua o de acoplamiento. Por lo tanto exige medir corriente en malla 1 y potencial en malla 2.

Existe un dilema entre mantener una separación de las mallas de tierra, o bien interconectarlas. La interconexión es por razones de seguridad; con el fin de evitar voltajes peligrosos (producto de diferencias de potencial entre mallas en el momento de circulación de corriente a tierra por una de ellas) o lograr una resistencia de puesta a tierra más baja para el conjunto.

6.1. Interconexión de mallas de tierras

La interconexión de dos o más mallas de tierra se analiza considerando los efectos mutuos respectivos y aplicando posteriormente el método de cálculo de resistencia de electrodos compuestos, para lo cual se supone a cada malla in Método de cálculo aproximado de puestas a tierra interconectadas

6.1.1. Método de cálculo aproximado de puestas a tierra interconectadas

El cálculo exacto de puestas a tierra interconectadas se puede efectuar siguiendo el mismo procedimiento utilizado para análisis de una sola, considerando los elementos de todas las puestas a tierra y los elementos de interconexión. A pesar de lo anterior, resulta conveniente y suficiente emplear métodos aproximados de cálculo más simples, que proporcionen una exactitud adecuada.

Una forma para calcular aproximadamente la resistencia de puestas a tierra interconectadas, es considerar a cada uno de los componentes que conforman la interconexión: puestas a tierra propiamente tales y cables de interconexión, como electrodos equivalentes. De este modo, conociendo la resistencia propia de cada uno y las resistencias mutuas entre ellos, se configura un sistema de ecuaciones similar al de una puesta a tierra simple. Entonces se analiza la interconexión de dos o más mallas de tierra considerando los efectos mutuos respectivos y aplicando el método de cálculo de resistencia de electrodos compuestos, para lo cual se supone a cada malla individual como un electrodo componente.dividual como un electrodo componente.

En la Figura 12 se muestran dos mallas interconectadas entre sí y su respectivo circuito equivalente; en este circuito:

• R1= resistencia de puesta a tierra de malla 1.

• R2= resistencia de puesta a tierra de malla 2.

• R12= resistencia mutua entre mallas 1 y 2

• Z = impedancia de cables de unión entre mallas o equivalente de todos los elementos de unión

Es conveniente duplicar el conductor de unión de dos mallas, con el propósito de asegurar la conexión frente a daño mecánico o de otro tipo. Habitualmente se conoce R1, R2 y Z; la resistencia mutua entre mallas, R12 se estima por el método de la semiesfera equivalente. Este método, propuesto por Tagg, asigna a cada malla una semiesfera de radio tal, que tenga igual resistencia de puesta a tierra y la resistencia mutua resulta:

Donde:

ρ= resistividad del terreno, homogéneo.

s = distancia entre los centros de las mallas de tierra o de sus semiesferas equivalentes.

Cuando se produzca una circulación de corriente al terreno, se considera la peor situación de corriente de falla IF, con corrientes I1 e I2 difundidas respectivamente por las mallas 1 y 2, de esta manera se determina finalmente la resistencia equivalente del circuito de la Figura 12.

Se cumple:

Conociendo la impedancia Z, se conforma un sistema consistente de ecuaciones para las corrientes y los voltajes por malla. Luego las corrientes por cada malla serán:

Donde IF = I1 + I2 es la corriente total de falla y VM = R•IF la elevación de voltaje de ambas mallas. Si la impedancia de los componentes de interconexión es muy pequeña (Z ≈ 0), se acepta que V1 = V2 y se obtiene como resultante la expresión similar a un electrodo compuesto:

La distancia de separación entre dos mallas que se interconectan tiene una relación directa en la resistencia mutua R12 entre ambas. Cuando las mallas interconectadas están lo suficientemente alejadas, este efecto mutuo desaparece y la interconexión provoca la combinación paralela de ambas mallas, lo que conlleva una reducción significativa del valor final de resistencia de puesta a tierra. En cambio si las mallas están próximas, traslapando sus zonas de influencia, la interconexión externa al terreno es ineficiente, pues el valor final de resistencia no será significativamente menor. En este caso, la unión de las mallas con conductores enterrados, formando una sola malla, aparece en general como una solución más atractiva. El valor final de resistencia de puesta a tierra en este caso debe evaluarse empleando las expresiones de Laurent o Schwarz.

6.1.2. Efectos sobre el sistema

Considerando la interconexión de mallas o la unión con conductor enterrado, la corriente de falla total en cada instalación aumenta, debido a la reducción de la resistencia de puesta a tierra final. Por otro lado, esta corriente de falla circulará por ambas mallas, según la proporción definida por las expresiones anteriores, y las condiciones de seguridad en esta nueva situación no necesariamente serán más riesgosas que antes. Otro punto a tener en cuenta es que esta nueva corriente de falla circula también por algún alimentador, por lo que será más exigido, trayendo como consecuencia la obligación a revisar la calibración de las respectivas protecciones para que operen adecuadamente y la capacidad de corriente de falla del mismo alimentador.

Definiendo Z0, Z1 y Z2 como las impedancias de secuencia cero, positiva y negativa respectivamente, vistas desde el punto de falla, entonces la corriente de falla queda definida por la expresión:

Los voltajes entre las fases sanas y tierra en esta contingencia son:

Donde ZT representa la impedancia total del camino de tierra (ver Figura …)

A partir de estas expresiones, si se reduce el valor de RM aumenta IF y modifica también los voltajes generados en las fases sanas, aun cuando su incidencia en este caso es de menor relevancia.

El comportamiento general descrito anteriormente es completamente diferente cuando la falla no es remota, sino que la corriente de falla entra y deja el terreno por dos puestas a tierra relativamente cercanas. En este caso aparecen distorsiones que deben ser estudiadas necesariamente sin seguir el comportamiento anterior.

...