La mayoría de las fallas del sistema de puesta a tierra no son dramáticas. No hay ninguna explosión, ningún momento evidente de fracaso. La varilla se corroe silenciosamente bajo tierra durante tres a cinco años, la resistencia aumenta y, un día, un rayo o un evento de falla que el sistema debería haber manejado limpiamente causa daños al equipo o un incidente de seguridad. Cuando alguien rastrea el problema hasta el electrodo de conexión a tierra, la decisión de adquisición que lo provocó fue tomada hace años por alguien centrado en el precio unitario.
Esta guía está escrita para ingenieros y equipos de adquisiciones que desean tomar esa decisión correctamente la primera vez. No es un catálogo de productos - un marco para adaptar la varilla y la abrazadera adecuadas a las condiciones reales de un proyecto.
Varillas de cobre y abrazaderas de puesta a tierra.
La varilla y la abrazadera son un solo sistema
Vale la pena decir esto claramente porque los departamentos de compras frecuentemente dividen el pedido: varillas de un proveedor, abrazaderas de otro, el precio más bajo en cada artículo. El problema es que un conjunto de puesta a tierra funciona como un sistema, y la conexión más débil de ese sistema fija el techo para todo lo demás.
Elvarilla de conexión a tierra de cobrepenetra en el suelo y crea la interfaz conductora con la tierra. La abrazadera conecta el conductor de conexión a tierra -, generalmente un cable de cobre desnudo que va de regreso al panel principal o al punto de conexión -, a la parte superior de esa varilla. La corriente de falla y la corriente de sobretensión del rayo tienen que pasar a través de ambos sin una resistencia significativa. Si la abrazadera crea una unión de alta-resistencia, no importa qué tan buena sea la varilla. Si la varilla se corroe y pierde contacto con el suelo circundante, la abrazadera es irrelevante.
Este sistema debe lograr dos cosas: disipar la corriente de falla lo suficientemente rápido como para que los dispositivos de protección puedan dispararse y mantener una conexión equipotencial para que no se acumule voltaje entre las estructuras conectadas a tierra. Ambos requieren un contacto continuo y de baja-resistencia desde el conductor hasta la abrazadera, la varilla y el suelo. Cualquier ruptura en esa cadena es un problema que espera expresarse.
Elegir una varilla de tierra: la decisión es más difícil de lo que parece
Varillas de tierra de cobre macizo
Varillas de tierra de cobre macizoson exactamente lo que parecen - 99.9% de cobre electrolítico desde la superficie hasta el núcleo, sin acero ni recubrimiento. Esa uniformidad es el punto. En entornos de suelo agresivos, no existe una interfaz entre materiales diferentes que puedan deslaminarse o corroerse preferentemente. La varilla se degrada, si es que se degrada, a un ritmo uniforme y muy lento.
En la práctica, esto es más importante en instalaciones costeras (alto contenido de cloruro), suelos ácidos por debajo de aproximadamente pH 5 y suelos anegados con alta humedad sostenida. Estas son las condiciones que devoran prematuramente las alternativas revestidas de cobre-. Para subestaciones de infraestructura crítica -, puesta a tierra de centros de datos y sistemas de protección contra rayos donde una llamada de mantenimiento requiere excavación - varillas de cobre sólidas son la especificación correcta. La vida útil típica en suelo normal es de 40 años o más.
La compensación mecánica-es real: el cobre puro es blando y al introducir una varilla de cobre sólida a través de arcilla rocosa o muy compactada se corre el riesgo de doblar la varilla antes de que alcance la profundidad. La mitigación estándar consiste en perforar previamente-un orificio piloto o utilizar un cabezal impulsor. No es un factor decisivo, simplemente es algo que debe tenerse en cuenta en la planificación de la instalación.
Varillas de conexión a tierra revestidas de cobre
ElVarilla de conexión a tierra revestida de cobrees lo que la mayor parte del mundo realmente instala. Un núcleo de acero de alta-resistencia, unido con una capa de cobre de alta-pureza en el exterior - le brinda la dureza mecánica para atravesar suelos difíciles sin doblarse, y la conductividad y protección contra la corrosión del cobre en la superficie que realmente entra en contacto con el suelo.
La especificación que determina si vale la pena comprar una varilla revestida de cobre-es el espesor de la capa de cobre. UL 467, el estándar de cumplimiento de América del Norte para equipos de conexión a tierra y conexión a tierra, establece un mínimo de 0,010 pulgadas (aproximadamente 254 micrones). Ese mínimo existe porque las capas de cobre más delgadas no brindan una protección electroquímica adecuada en la interfaz acero-suelo. Cuando la capa de cobre falla, la humedad y el oxígeno llegan al núcleo de acero, la corrosión se acelera y la resistencia aumenta.
Aquí es donde realmente reside el riesgo de los productos de bajo coste-. Las varillas revestidas de cobre-de fabricantes que cumplen con las normas parecen idénticas a las de los que no-cumplen. No puedes distinguirlos visualmente. Solo puede distinguirlos solicitando a los proveedores-informes de pruebas transversales que muestren mediciones reales del espesor de la capa de cobre - y no cálculos de relación de peso, que son un indicador menos confiable. Si un proveedor no puede proporcionar esa documentación, la especificación de esa varilla es esencialmente no verificable.
Para la mayoría de las aplicaciones, - puesta a tierra eléctrica residencial y comercial, puesta a tierra de torres de telecomunicaciones, sistemas de cercas eléctricas, puesta a tierra de postes de líneas de distribución, las - varillas revestidas de cobre- son el producto adecuado. El rendimiento es adecuado, el costo es menor que el cobre sólido y la instalación es más sencilla.
Varillas de tierra galvanizadas
Las varillas galvanizadas tienen una capa de zinc sobre un núcleo de acero. El zinc se corroe preferentemente y protege sacrificialmente el acero que se encuentra debajo, lo cual es útil, pero el zinc se agota más rápido que el cobre en suelos ácidos o con alta-humedad. La vida útil prevista es de unos 15 años en condiciones normales, menos en entornos agresivos.
También hay un problema de compatibilidad que sorprende a la gente: los conductores de cobre y las varillas galvanizadas (recubiertas de zinc-) no deben conectarse sin una abrazadera bimetálica. El cobre y el zinc se encuentran muy separados en la serie galvánica. En un entorno de suelo húmedo, el recubrimiento de zinc acelera su propia corrosión en el punto de contacto, que es precisamente donde se necesita que la conexión se mantenga firme y conductora. Si un proyecto utiliza conductores de conexión a tierra de cobre - (la mayoría de ellos - varillas galvanizadas introducen un problema de compatibilidad que debe gestionarse activamente).
Las varillas galvanizadas tienen sentido para instalaciones temporales, aplicaciones-de baja criticidad en suelos neutrales confirmados o situaciones en las que la restricción presupuestaria es severa y el medio ambiente es realmente indulgente.
Abrazaderas: el componente en el que la mayoría de los compradores se equivocan
Nadie habla de abrazaderas como habla de varillas, pero la selección de abrazaderas es donde los sistemas de puesta a tierra fallan silenciosamente. La abrazadera es una conexión mecánica permanente en un lugar inaccesible. No existe un mantenimiento de rutina para detectar un porro degradante. Cualquiera que sea la elección que se haga en el momento de la adquisición, es con lo que convive el sistema.
Abrazaderas atornilladas y con perno en U
ElAbrazadera de varilla de tierra de cobreen configuración de perno U-es la abrazadera más común en el campo - un conjunto de perno-y-silla que comprime el conductor contra la varilla. Sencillo,{5}}instalable en campo con herramientas básicas y ampliamente disponible. Para conexiones sobre-nivel e instalaciones accesibles de inspección-(paneles residenciales, puntos de puesta a tierra de antena sobre-tierra), esta es la opción correcta.
La limitación es la relajación del perno. El ciclo térmico - la varilla y el conductor se expanden y contraen con los cambios de temperatura a lo largo de los años - afloja gradualmente la unión mecánica. En la superficie, un técnico puede volver a apretarlo. Bajo tierra, no pueden. Para cualquier conexión que vaya a quedar enterrada, las abrazaderas con perno en U son la elección equivocada.
Abrazadera de varilla de tierra de cobre VICTORY
Abrazaderas de ranura paralela
Dos ranuras - una para el conductor, otra para la varilla - comprimidas por un mecanismo atornillado. Más superficie de contacto que un perno en U-, por lo que hay menor resistencia en la unión. Común en aplicaciones de puesta a tierra de líneas de postes donde el conductor corre aproximadamente paralelo a la varilla. Una opción sensata de rango medio-donde se podrá acceder a la conexión para su inspección.
Abrazaderas de compresión
Engarzado-en fábrica o en campo-engarzado en el conductor antes del ensamblaje. El engarzado crea una interfaz-estanca al gas que no depende de la tensión del perno para mantener la conductividad. Las abrazaderas de compresión están clasificadas para enterramiento directo y resisten mejor que los tipos atornillados en condiciones subterráneas constantemente húmedas. Cuando una conexión debe ser permanente y enterrada, y la soldadura exotérmica no está dentro del alcance, una abrazadera de compresión correctamente engarzada es la respuesta correcta.
Abrazaderas de bellota
Llamado así por su forma. Diseñado específicamente para enterramiento directo sobre la parte superior de una varilla de conexión a tierra, acepta una variedad de tamaños de conductores, listado UL 467 para enterramiento en tierra y concreto. Especificación estándar para instalaciones residenciales y comerciales ligeras donde la abrazadera pasa por debajo del nivel del suelo y permanece allí.
Soldadura exotérmica
Ni una abrazadera en absoluto - una reacción de termita que fusiona el conductor y la varilla en un enlace molecular único. La conexión resultante tiene la misma conductividad que el cobre base, no se puede aflojar y no se corroe en la unión. Para redes de puesta a tierra de subestaciones, instalaciones industriales de alta-falla-corriente y conductores de bajada de protección contra rayos, IEEE Std 80 identifica la soldadura exotérmica como el método de conexión preferido. El costo inicial es mayor - moldes especializados, cargas de pólvora y un instalador capacitado - pero para instalaciones permanentes de alto-riesgo, la justificación del desempeño es sencilla.
Varilla y abrazadera por aplicación
| Solicitud | Especificación de varilla | Especificación de abrazadera | Norma aplicable |
|---|---|---|---|
| Puesta a tierra eléctrica residencial | Varilla de conexión a tierra revestida de cobre, 5/8" × 8 pies | Abrazadera de cobre atornillada o bellota certificada por UL- | Artículo 250 del NEC, UL 467 |
| Instalación comercial/industrial | Varilla de conexión a tierra revestida de cobre, 5/8" o 3/4" × 10 pies | Abrazadera de compresión o bellota (enterramiento directo) | Artículo 250 del NEC, norma IEEE 80 |
| Rejilla de puesta a tierra de subestación | Varilla de tierra de cobre sólido, múltiples varillas unidas | soldadura exotérmica | Norma IEEE 80, IEC 62561 |
| Protección contra rayos | Varilla de tierra de cobre sólido | Soldadura exotérmica o abrazadera mecánica pesada. | CEI 62561, NFPA 780 |
| Torre de telecomunicaciones | Varilla de conexión a tierra revestida de cobre, 3 varillas mínimo | Ranura paralela o bellota, listado UL | TIA-607, norma IEEE 80 |
| cerca electrica | Varilla de conexión a tierra revestida de cobre, mínimo de 3 varillas a un espacio de 10 pies | AtornilladoAbrazadera de varilla de tierra de cobre | Artículo 250 del CNE |
| Suelo costero / ácido | Varilla de tierra de cobre sólido | Soldadura exotérmica o abrazadera de hardware-inoxidable | Norma IEEE 80 |
| Mezcla de cobre y acero galvanizado. | cualquier varilla | Abrazadera bimetálica - no opcional | Artículo 250.64 del CNE |
El problema de la corrosión galvánica que nadie incluye en su hoja de especificaciones
La corrosión galvánica ocurre cuando dos metales diferentes entran en contacto eléctrico en un ambiente húmedo. El metal menos noble se corroe para proteger al más noble. La velocidad depende de qué tan separados se encuentran los dos metales en la serie galvánica y de qué tan conductivo sea el entorno.
El par que causa más problemas en los sistemas de conexión a tierra es el conductor de cobre sobre una varilla de acero galvanizado ({0}}recubierto de zinc) con una abrazadera de cobre. El cobre es significativamente más noble que el zinc. En suelo húmedo, el recubrimiento de zinc se degrada en el punto de contacto - exactamente donde la conexión mecánica debe permanecer firme. La conexión se afloja y se corroe al mismo tiempo.
La solución limpia es mantener todo el sistema en la misma familia de metales:Abrazadera de varilla de tierra de cobrecon cobre oVarilla de conexión a tierra revestida de cobre, eliminando por completo el problema de compatibilidad. Cuando eso no sea posible - si el proyecto hereda una instalación mixta existente - se requiere una abrazadera bimetálica calificada para la transición metálica específica.
Vale la pena destacar la carcasa del conductor de aluminio: las varillas de cobre con conductores de aluminio requieren una abrazadera específicamente calificada para la transición de cobre-a-aluminio. Las conexiones de aluminio-a-cobre no incluidas en la lista fallarán por corrosión galvánica y lo harán más rápido en ambientes cálidos y húmedos donde la infraestructura eléctrica suele estar más estresada.
Referencia de estándares para la contratación transfronteriza-
| Estándar | Jurisdicción | Qué cubre |
|---|---|---|
| UL 467 | Estados Unidos / Canadá | Equipos de puesta a tierra y unión - varillas, abrazaderas, conectores |
| Artículo 250 del CNE | EE.UU | Requisitos mínimos de instalación - longitud de varilla, profundidad y tamaño del conductor |
| Norma IEEE 80 | Referencia internacional | Metodología de diseño de puesta a tierra de subestaciones de CA. |
| CEI 62561 | Europa / internacional | Componentes del sistema de protección contra rayos, incluidos electrodos. |
| NFPA 780 | EE.UU | Norma de instalación de protección contra rayos. |
| TIA-607 | EE.UU | Puesta a tierra y unión de telecomunicaciones. |
Para adquisiciones a gran-escala, las marcas de certificación por sí solas no son verificación suficiente. Solicite informes de pruebas que muestren mediciones del espesor de la capa de cobre a partir de una inspección de sección transversal-, en particular para varillas revestidas de cobre-provenientes de nuevos proveedores. La marca de certificación le indica la categoría del producto; el informe de prueba le indica si el lote específico cumple con las especificaciones.
Antes de realizar el pedido: siete preguntas
¿Cuál es la resistividad del suelo en este sitio? La alta resistividad puede requerir múltiples varillas, mayor profundidad o un compuesto de mejora de tierra aplicado alrededor del electrodo.
¿Cuál es la química del suelo? Los entornos costeros, ácidos o anegados justifican el cobre sólido en lugar del revestimiento de cobre-. No utilice la opción más barata y luego se pregunte por qué es necesario reemplazar el sistema en cinco años.
¿Para qué niveles de corriente de falla está diseñado este sistema? Las subestaciones y las instalaciones industriales pesadas necesitan conexiones de soldadura exotérmicas. Las abrazaderas mecánicas no están clasificadas para la misma capacidad de corriente de falla.
¿Hay metales mezclados en esta instalación? Verifique la compatibilidad del material antes de especificar abrazaderas. No asuma nada sobre lo que se instaló anteriormente si se trata de una actualización.
¿Se enterrará la conexión de abrazadera? En caso afirmativo, las abrazaderas con perno en U no están disponibles. Abrazaderas de bellota o de compresión clasificadas para entierro únicamente.
¿Qué norma rige esta instalación? Confirme que tanto la varilla como la abrazadera tengan la marca de listado correspondiente. Uno que figura en la lista y otro que no figura en la lista no es un ensamblaje compatible.
¿Puede el proveedor proporcionar documentación de trazabilidad? Especialmente para las varillas revestidas de cobre-, los informes de prueba para el espesor de la capa de cobre son la única verificación de calidad confiable disponible en la etapa de adquisición.
Un sistema de conexión a tierra funciona mejor cuando se olvida - que se instala correctamente, se entierra y no se vuelve a pensar en él durante 30 o 40 años. Las decisiones que hacen que esto sea posible suceden antes de que la primera vara se clave en el suelo.
Preguntas frecuentes
Cobre sólido o -revestido de cobre -, ¿cuál debería especificar?
Para la mayoría de los proyectos, el revestimiento de cobre-es la respuesta correcta. El rendimiento eléctrico es comparable, la instalación mecánica es más sencilla en suelos duros y la diferencia de costes es significativa a escala. El cobre sólido se convierte en la especificación correcta cuando las condiciones del suelo son genuinamente agresivas - sitios costeros, suelo constantemente ácido o anegado - o cuando la instalación está en un lugar donde el reemplazo sería operativamente difícil. No opte por el cobre sólido como margen de seguridad si las condiciones del proyecto no lo justifican. Insista en que cualquier proveedor de cobre-reviste el espesor de la capa de cobre verificado.
¿Se requiere realmente la certificación UL en una abrazadera o es solo una preferencia?
Para cualquier instalación regulada por NEC-en Norteamérica, la certificación UL 467 tanto en la varilla como en la abrazadera es un requisito del código, no una preferencia. Los inspectores lo comprueban. Más allá del cumplimiento del código, la marca UL indica pruebas independientes de -capacidad de carga de corriente, resistencia mecánica y resistencia a la corrosión en condiciones de entierro - los aspectos que realmente importan para una conexión permanente enterrada.
¿Cuántas picas de tierra necesita un proyecto?
NEC establece el mínimo residencial en una varilla, y se requiere una segunda si la primera mide una resistencia superior a 25 ohmios. Los sistemas de cercas eléctricas generalmente necesitan tres varillas revestidas de cobre-con un espacio mínimo de 10 pies para mantener el rendimiento de la cerca. Los sistemas de puesta a tierra industriales y de subestaciones se calculan a partir de mediciones de resistividad del suelo utilizando IEEE Std 80 - el número de varillas es un resultado del proceso de diseño, no una regla general.
¿Se puede conectar una abrazadera de cobre directamente a una varilla galvanizada?
No con seguridad, no. El cobre y el zinc son galvánicamente incompatibles en suelos húmedos. El recubrimiento de zinc se corroe preferentemente en el punto de contacto -, que es el peor lugar para fallar. Utilice una abrazadera bimetálica clasificada para la transición de zinc-a-cobre, o elimine el problema especificando varillas revestidas de cobre o-cobre en todas partes y utilizando una abrazadera de varilla de tierra de cobre diseñada para conexiones de cobre-a-cobre.
¿Cómo verifico la calidad de la capa de cobre en una varilla revestida de cobre-antes de comprarla?
Solicite informes-de pruebas metalúrgicas transversales que muestren mediciones reales del espesor del cobre. El mínimo UL 467 es 0,010 pulgadas (254 micrones). La prueba de relación de peso es un método menos confiable - ya que puede enmascarar puntos débiles con un promedio técnicamente aceptable. La inspección visual es inútil; Las barras compatibles y no-parecen idénticas. Si un proveedor se niega a proporcionar documentación de prueba, trátelo como una señal de calidad.