3 tipos de electrodos especialmente construidos para un sistema de puesta a tierra

Hemos llegado al final de este interesante tema abordando el artículo 250 de la NOM-001-SEDE-2012, el cual nos indica el tipo de electrodos que es posible utilizar para el sistema de puesta a tierra.

Anteriormente mencionamos algunos tipos de electrodos que se encuentran en una construcción de manera natural o bien que se generan al momento de hacer la construcción de la vivienda.

Recordemos brevemente los electrodos mencionados en la edición anterior. La Norma Oficial Mexicana indica que se puedan usar uno o más de los electrodos especialmente construidos, como lo son:

a) De Varilla o de tubería
b) Electrodos de placa
c) Estructuras metálicas subterráneas

Electrodos de varilla o de tubería


De acuerdo con el artículo 250 de la NOM-001-SEDE vigente, los electrodos de varilla y tubo no deben tener menos de 2,40 m de largo y tienen que instalarse de tal modo que por lo menos 2,40 m de su longitud esté en contacto con la tierra. Las varillas de metales no ferrosos deben estar aprobadas y tener un diámetro no inferior a 13 mm de diámetro, y las de otros materiales por lo menos 16 mm. En tanto, las tuberías deben tener un diámetro no inferior a 19 mm, y si son de hierro tienen que contar con una protección contra corrosión en su superficie.

Cabe mencionar que la varilla de 5/8" comercial mide 14,7 mm de diámetro y que la varilla con protocolos de CFE 16 mm.

La varilla de acero con un recubrimiento de cobre conocida como copperweld de 10 milésimas, dura aproximadamente 35 años en un suelo promedio; si tiene un recubrimiento de 13 milésimas dura hasta 45 años. En cambio, una varilla de acero galvanizado tiene una vida estimada de 15 años.

Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusión hasta que alcanzan la profundidad adecuada. En caso de terrenos rocosos o de tepetate, las varillas no pueden meterse de esa manera; se doblan o solamente no pueden entrar. Ocasionalmente se ha sabido de casos donde las varillas han sido regresadas hacia la superficie después de haber tratado de clavarlas en terrenos rocosos.

Cuando la roca está a menos de 2,40 m, estos electrodos pueden meterse en diagonal hasta con un ángulo de 45 grados de la vertical. Pero, si no es este el caso, se deben enterrar horizontales en una trinchera abierta para el caso a 800 mm de profundidad por lo menos.


Ver también: 4 tipos de electrodos permitidos en un sistema de puesta a tierra



Electrodos de placa


Los electrodos de placa no deben tener menos de 0,2 m2 de superficie en contacto con el suelo. Y las placas de acero o fierro tienen que contar por lo menos con 6,4 mm de espesor; si son de material no ferroso por lo menos 1,52 mm de espesor.

La NOM menciona la puesta a tierra mediante sistemas de tuberías o tanques enterrados, Pero puede ser cualquier clase de estructura metálica subterránea.

Las normas americanas MIL-STD-1542B, MIL-HDBK-419 y MIL-STD-188-124 no recomiendan el uso de los ademes de pozos para lograr una baja impedancia a tierra. Las normas mencionadas hacen énfasis en que los ademes presentan muy baja resistencia a tierra en corriente directa, sin embargo no reducen la impedancia en corriente alterna, y, mencionan que si los ademes metálicos son utilizados como parte del sistema de tierras, no deben ser los únicos elementos en contacto con el suelo.



Estructuras metálicas subterráneas


La Norma Oficial Mexicana de instalaciones eléctricas requiere de un sistema enmallado de tierra con múltiples electrodos y conductores enterrados, cuando están involucradas tensiones y corrientes eléctricas muy altas, con el fin de minimizar los riesgos al personal en función de la tensión eléctrica de paso y de contacto.

La malla consta de una red de conductores enterrados a una profundidad que usualmente varía de 0,30 a 1,0 m, colocados paralela y perpendicularmente con un espaciamiento adecuado a la resistividad del terreno y preferentemente formando retículas cuadradas.

El cable que forma el perímetro exterior de la malla debe ser continuo de manera que encierre toda el área en que se encuentra el equipo eléctrico de la subestación o planta generadora. Con ello, se evitan altas concentraciones de corriente y gradientes de potencial en el área y terminales cercanas.

En cada cruce de conductores de la malla, éstos deben conectarse rígidamente con soldadura exotérmica entre sí y en los puntos donde se conectan los equipos que pudieran presentar falla o, en las esquinas de la malla, los conductores deben conectarse a electrodos de varilla o tubo de 2,4 m de longitud mínima, clavados verticalmente.




Los cables que forman la malla tienen que colocarse preferentemente a lo largo de las hileras de estructuras o equipo para facilitar la conexión a los mismos, ya que es una práctica común de ingeniería aterrizar a dos cables diferentes todos los equipos.

El siguiente video nos muestra un resumen de los diferentes tipos de electrodos de puesta a tierra permitidos por el artículo 250 de la NOM-001-SEDE vigente, así como las reglas básicas para una correcta instalación de puesta a tierra:

Con esto damos por concluido nuestro tema. Recuerda que la finalidad principal del sistema de tierra es poner el cable neutro del circuito de alimentación a voltaje cero para el funcionamiento óptimo de los equipos, pero adicionalmente ayuda a evitar accidentes al brindar un camino seguro a las corrientes de falla, cuando se tiene un riesgo de cortocircuito o choque eléctrico, los cuales se pueden presentar en nuestro hogar o centro de trabajo.

En el hogar es importante instalar un sistema de puesta a tierra con cualquiera de los electrodos mencionados, debido a que los equipos -por los contactos con protección de falla- operan de forma efectiva solamente cuando se conecta la respectiva terminal a tierra.

Arranque de motores asíncronos trifásicos

Los motores asíncronos trifásicos que arrancan en estrella consumen una intensidad tres veces menor que si lo hacen directamente en delta.

Anteriormente tratamos acerca de la constitución y el principio de funcionamiento de los motores trifásicos. Por ahora sólo recordaremos que son motores en los que el bobinado inductor colocado en el estator está formado por tres bobinados independientes desplazados 120º, eléctricos entre sí y alimentados por un sistema trifásico de corriente alterna.

Los podemos encontrar de dos tipos:

• Rotor en cortocircuito también conocido como jaula de ardilla.
• Rotor bobinado

El siguiente vídeo trata sobre las características de los motores de inducción trifásicos, placa, conexionados, curvas, etc.

Características eléctricas

Todo bobinado trifásico se puede conectar en estrella (todos los finales conectados en un punto común, alimentando el sistema por los otros extremos libres) o bien en delta (conectando el final de cada fase al principio de la fase siguiente, alimentando el sistema por los puntos de unión).

Ver también: 9 consejos para mejorar el rendimiento de los motores eléctricos

En la conexión delta la intensidad que recorre cada fase es 3 veces menor que la intensidad de línea, mientras que la tensión a la que queda sometida cada fase coincide con la tensión de línea.

En estas condiciones, si un motor está diseñado para aplicarle 220 V a cada fase, lo podremos conectar a la red de 220 V en delta y a la red de 440 V en estrella. En ambos casos, la tensión que se le aplica a cada fase es 220 V. En una y otra conexión permanecen invariables los parámetros de potencia, par motor y velocidad. La conexión estrella o delta se realiza sobre la placa de bornes mediante puentes, como se puede apreciar en la siguiente figura.

Colocación de los puentes en los bornes de conexión del motor, para configuración estrella o delta, respectivamente.

Rotor en cortocircuito

En motores, una configuración muy usual es la de rotor en cortocircuito, debido a que es el de construcción más sencilla, de funcionamiento más seguro y de fabricación más económica. Su único inconveniente es el de absorber una elevada intensidad en el arranque a la tensión de funcionamiento.

En el momento del arranque, este motor acoplado directamente a la red presenta un momento de rotación de 1,8 a 2 veces el de régimen, pero la intensidad absorbida en el arranque toma valores de 5 a 8 veces la nominal.

Para facilitar el conexionado en la placa de bornes del motor, los extremos del bobinado inductor se disponen como se muestra en la figura.

Su puesta en marcha se realiza de una forma simple y sencilla mediante un interruptor manual de tres polos. Estos interruptores se seleccionan según la corriente del motor.

Arranque estrella delta (Y – Δ)

El procedimiento más empleado para el arranque de motores trifásicos de rotor en cortocircuito consiste en conectar el motor en estrella durante el periodo de arranque y, una vez que alcanza cierta velocidad, se conecta en delta para que quede conectado a la tensión nominal.

Para ello, se hace necesario intercalar, entre el motor y la línea, un conmutador manual especial que lleva a cabo las conexiones de los extremos del bobinado del motor, sin realizar los puentes sobre la placa de bornes.

Coordinación de protecciones

Tener un buen sistema de protecciones que opere de manera rápida y selectiva, permite mantener una instalación eléctrica segura y confiable.

La coordinación de protecciones es una aplicación sistemática de dispositivos de protección que actúan por corriente en el sistema eléctrico; como respuesta a una falla o sobrecarga, sacará de servicio sólo una mínima cantidad de equipo. Su objetivo principal será proteger al personal de los efectos de estas fallas, minimizar el daño al equipo eléctrico y reducir los costos por salidas de servicio de la carga asociada.

El estudio de coordinación de protecciones de sobrecorriente es una comparación tiempo-corriente; es decir, el tiempo que toma cada uno de los dispositivos individuales para operar cuando ciertos niveles de corriente normal o anormal pasa a través de ellos.

El objetivo de dicho estudio es determinar las características, valores nominales y ajustes de los dispositivos de protección que aseguren que la mínima carga no fallada se interrumpa cuando aislen una falla en cualquier parte del sistema eléctrico. Al mismo tiempo, los dispositivos y ajustes de protección deberán proporcionar satisfactoriamente seguridad contra sobrecargas e interrumpir corrientes de cortocircuito tan rápidamente como sea posible.

Los estudios de coordinación de protecciones son necesarios para seleccionar o verificar las características de liberación de fallas de los dispositivos de protección, tales como fusibles, interruptores y relevadores.

El siguiente video trata sobre el tema de la coordinación de protecciones:

En una instalación eléctrica simple como la residencial los estudios de cortocircuito no se realizan, sin embargo se debe contar con un sistema coordinado de protecciones. La principal razón es que cuando en un circuito eléctrico unimos o se unen accidentalmente los extremos o cualquier parte metálica de dos conductores de diferente polaridad que hayan perdido su recubrimiento aislante, la resistencia en el circuito se anula y la relación dada por la Ley de Ohm se pierde, es decir si la resistencia disminuye entonces la corriente aumenta.

Por ejemplo: La resistencia de un motor que se alimenta a 120V es de aproximadamente 400Ω, entonces la corriente según la Ley de Ohm I=E/R= 120V/400Ω= 0.3A, si la resistencia del devanado del motor disminuye a 5Ω, es decir el devanado se pone en cortocircuito, la corriente según la Ley de Ohm será: I= 120V/5Ω=24A. Este resultado se traduce en una elevación brusca de la intensidad de la corriente y un incremento violentamente excesivo de calor en los conductores.

Ver también: 6 consejos para la instalación de protecciones en las instalaciones eléctricas residenciales

Instalaciones eléctricas residenciales

La temperatura que produce el incremento de la intensidad de corriente en Amperes cuando ocurre un cortocircuito es tan grande que puede llegar a derretir el forro aislante de los cables o conductores, quemar el dispositivo o equipo de que se trate si éste se produce en su interior, o llegar, incluso, a producir un incendio. Para evitar lo anterior, se debe dimensionar un sistema de protecciones coordinadas para operar de manera selectiva ante situaciones de sobrecorriente y cortocircuito. Para el caso de la instalación eléctricas residencial este sistema ya está propuesto, tanto por parte de la empresa suministradora de energía eléctrica como por parte de la NOM-001-SEDE-2012.

El interruptor termomagnético incorpora un dispositivo que abre el mecanismo de conexión al circuito cuando la intensidad de la corriente sobrepasa los límites previamente establecidos.

Esta coordinación inicia por la preparación para recibir el servicio de energía eléctrica, la cual CFE nos indica las características según el tipo:

• Para una instalación monofásica de dos hilos (120V) y hablando específicamente de la protección solicitada para ello, indica que debe colocarse preferentemente un interruptor termomagnético de 40A únicamente para el cable de fase.
• Para una monofásica de tres hilos (240V) deben instalarse dos interruptores termomagnéticos de 40A cada uno e instalados en los cables de fase.
• Para una instalación trifásica se deben instalar tres interruptores termomagnéticos de 100A cada uno, instalados también únicamente en los cables de fase.

Después de la protección principal se instalan interruptores termomagnéticos de valores inferiores a las principales para proteger los circuitos derivados de manera individual dentro de un gabinete conocido comúnmente como centro de carga, es posible entender lo anterior observando el siguiente diagrama unifilar:

Tomando en cuenta el diagrama, cuando existe un cortocircuito, por ejemplo en el circuito A3, su protección de 20A opera y deja sin energía a todos los contactos conectados a él, sin afectar los demás circuitos ni disparar a la protección principal de 40A.

Caso contrario si se coloca un interruptor termomagnético como protección principal de 30A y otro del mismo valor dentro del centro de carga para el circuito A3, es posible que cuando se presente una falla en este circuito se active la protección del derivado, pero también existe la posibilidad de que opere la principal, en cuyo caso la coordinación de protecciones no existe.

2 combustibles alternativos

Se pretende que en un futuro nuestros medios de transporte sean impulsados por otras fuentes que reduzcan la contaminación sin menoscabar la funcionalidad

Para reducir los efectos del calentamiento global es necesario realizar cambios significativos en nuestro consumo energético, incluyendo el uso de la gasolina para transportarnos.

Pero ¿cuáles son estas fuentes alternativas a la gasolina? El Departamento de Políticas Energéticas de los EU dio a conocer una lista que abarca ocho combustibles alternativos, algunos de los cuales actualmente ya están siendo utilizados en mayor o menor medida. También señala otros que están en su etapa de experimentación. Todos cuentan con el potencial suficiente para sustituir de manera parcial o total a la gasolina y el diésel.

Sin embargo, dicha lista incluye alternativas que si bien no contaminan de la misma forma que la gasolina, siguen contribuyendo de manera importante al cambio climático como el Gas natural en cuyo proceso de producción crea metano, un gas de efecto invernadero que es 21 veces peor que el CO2; el Hidrógeno, ya que para formar el combustible se mezcla con gas natural; el Propano, también conocido como gas licuado de petróleo, un subproducto del procesamiento natural del gas natural y la refinación de petróleo; y el Metanol, también conocido como alcohol de madera, igualmente creador de metano.

El siguiente vídeo que fue elaborado en el taller de actualización en Televisión Digital y Terrestre de la UMSA, nos habla sobre los biocombustibles:

Ver también: La Co-combustión de Biomasa y combustibles fósiles

Para efectos de este artículo, tampoco tomaremos en cuenta a la Electricidad, ya que anteriormente hemos hablado sobre los coches eléctricos:

Etanol.


Se obtiene a partir de maíz, sorgo, caña de azúcar o remolacha. Sustituye las gasolinas o naftas en cualquier proporción. Brasil es el principal productor de bioetanol, 45% de la producción mundial, Estados Unidos representa el 44%, China el 6%, la Unión Europea el 3%, India el 1% y otros países el restante 1%. En México, principalmente en Veracruz, existen proyectos para su producción.

Como biocombustible el etanol es más puro que el empleado para los otros fines. Por ejemplo, mientras que la pureza del alcohol etílico para la medicina y las bebidas alcohólicas es de 96% la del biocombustible debe ser del 99.5% al 99.9%.

Puede ser empleado directamente como combustible o como un añadido a la gasolina en distintas concentraciones. La mezcla más común es para oxigenar a la gasolina, en una concentración de alrededor de 5%, remplazando a un oxigenante llamado éter metil tert-butílico (MTBE), que es altamente contaminante del suelo y del agua subterránea.

También se usa en otras concentraciones que van del 10% al 85% del volumen total de la gasolina, pero en esos casos los vehículos deben contar con modificaciones especiales (vehículos Flex Fuel), debido a que el etanol puede corroer algunas partes plásticas de los sistemas de inyección en el vehículo.



Biodiésel


El biodiésel se genera a partir de plantas oleaginosas como el cártamo, las semillas de soya, el  girasol, la jatropha o la palma de aceite; de aceite de cocina usado o de grasas animales. Dependiendo de su calidad, puede ser empleado directamente en motores diésel o combinado con diésel fósil para aumentar la lubricidad de éste último, ya que el biodiésel suele ser más denso.




El biodiésel es seguro, biodegradable, reduce los contaminantes del aire asociados a las emisiones de vehículos, tales como micropartículas, monóxido de carbono e hidrocarburos.

Para poder usarse se deben efectuar unas pequeñas modificaciones técnicas en los motores diésel, como el compuesto de la goma y/o cauchos de los manguitos y latiguillos del circuito del combustible. Ello es debido a que el biodiésel 100% tiene la particularidad de disolver la goma. Desde los años 90, casi todos los fabricantes de vehículos (principalmente marcas alemanas), ya han sustituido dichos conductos fabricados con materiales plásticos o derivados, que el biodiésel 100% puro no los disuelve.

Ventajas de los biocombustibles:

• Reducen la alta dependencia hacia los combustibles fósiles.
• Debido al desarrollo tecnológico en la producción de biocombustibles y a las tendencias del precio del petróleo, en un futuro cercano la conveniencia de usar biocombustibles será todavía más alta.
• Promueven la agricultura debido a la alta demanda de cultivos energéticos.
• Crean empleos, tanto en la agricultura como en la industria de producción de biocombustibles.
• Reducen la emisión de dióxido de carbono y con ello el calentamiento global.

2 alternativas para el tratamiento del agua

En la actualidad se trabaja en la búsqueda de técnicas que abaraten los procesos aplicados al tratamiento de agua que consumen grandes cantidades de energía, lo que es costoso tanto desde el punto de vista económico como medioambiental.

Como bien sabemos, el problema del desabasto de agua se vuelve más preocupante día a día debido a que el uso del vital líquido es diverso y de gran importancia en muchos procesos. Esto ha llevado a gran cantidad de investigadores a desarrollar métodos para tratar aguas de desecho con la menor cantidad de energía posible.

La energía fotovoltaica produce una corriente eléctrica continua, lo que la hace ideal para su aplicación en dos técnicas de tratamiento de agua: la electrodiálisis y la electroxidación.

Electrodiálisis


La electrodiálisis es una técnica basada en el transporte de iones a través de membranas selectivas bajo la influencia de un campo eléctrico. En una pila de electrodiálisis convencional se sitúan alternativamente membranas de intercambio catiónico y aniónico, entre el cátodo y el ánodo.

Cuando se aplica una diferencia de potencial entre ambos electrodos, los cationes se mueven hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo. Los cationes migran a través de las membranas de intercambio catiónico, las membranas permiten el paso mediante cationes pero no de aniones y son retenidos por las membranas de intercambio aniónico. Por otra parte, los aniones migran a través de las membranas de intercambio aniónico que permiten el paso por medio de aniones pero no de cationes y son retenidos por las membranas de intercambio catiónico. Estos movimientos producen el aumento en la concentración de iones en algunos compartimentos llamados celdas de concentración y la disminución en los adyacentes que se conocen como celdas de dilución, en la figura siguiente se muestra el transporte de carga en un sistema de electrodiálisis convencional.




Los módulos fotovoltaicos se conectan a bancos de baterías donde la energía producida es almacenada para ser utilizada cuando sea necesario. Conectando estos módulos directamente a la célula de electrodiálisis se reduce sustancialmente el costo de inversión en estos sistemas. La principal razón para la conexión directa a la célula de electrodiálisis es simple: en lugar de acumular energía eléctrica en las baterías para usarla más tarde, el agua tratada durante las horas de luz es almacenada en depósitos, ya que es más barato almacenar agua en tanques que acumular energía en un sistema de baterías.

Además, los sistemas de electrodiálisis son una alternativa a los actuales procesos de desalinización, tales como la ósmosis inversa del agua marina o la evaporación, ya que liberan al mar un flujo de agua cuya concentración salina es similar a la de éste, evitando así los problemas derivados del aumento salino localizado que sí se produce en las plantas de ósmosis inversa y que estropean el frágil ecosistema costero.

El siguiente vídeo ilustra el proceso de electrodiálisis:





Electroxidación


La electroxidación es otra tecnología creada para la oxidación de la materia orgánica disuelta en las aguas residuales. Como tecnología para el tratamiento de aguas, la electroxidación se enmarca dentro del grupo de los Procesos de Oxidación Avanzada (POA) por cuanto es posible generar radicales hidroxilos OH bajo ciertas condiciones de operación y en ciertos electrodos. La electroxidación se considera como una alternativa medioambientalmente viable para el tratamiento de aguas residuales, ya que se puede alcanzar la completa destrucción de la materia orgánica utilizando un reactivo limpio como es la electricidad, reduciendo la producción de lodos y evitando la utilización de compuestos químicos adicionales.


Ver también: El lado positivo de la basura

En los procesos de electroxidación, el afluente a tratar se hace circular por un reactor heterogéneo, entrando en contacto con ánodo y cátodo, en los que tienen lugar respectivamente, las reacciones de oxidación y reducción.




La tecnología de electroxidación trata de hacer frente a aquellas situaciones en las que el afluente residual posee una baja capacidad de ser oxidado, haciendo inviable su tratamiento térmico o bien un bajo nivel de biodegradabilidad, para el que la opción biológica no es viable. Para valores de demanda química de oxígeno por debajo de 5 mg O2·L-1, la electroxidación es una alternativa interesante como POA.

Entre las debilidades de la tecnología cabe destacar los altos costos de inversión y esencialmente el elevado consumo de energía específico por unidad de volumen tratado. Este elevado consumo energético no sólo impacta de forma notable al proceso en cuanto a rentabilidad económica, sino que lo hace fuertemente sobre la sostenibilidad ambiental del mismo.

Los valores de energía consumidos son variables puesto que dependen de la conductividad del agua a tratar y el nivel de eliminación deseado de materia orgánica, es factible encontrar por tanto valores en el rango 10-1000 kWh·m3. Sin necesidad de operar en el valor máximo del rango anterior, queda claro que empleando energía de red y para efluentes degradables donde la electroxidación y los procesos biológicos son tecnológicamente viables, la electroxidación deja de ser económicamente competitiva puesto que el consumo neto de energía en una planta convencional de tratamiento de aguas residuales urbanas se encuentra en el orden de los 0,7 kWh·m3.

De la lista de los 10 principales problemas a los que se debe enfrentar la humanidad en los próximos 50 años, los cuatro primeros son: energía, agua, alimentos y medioambiente.