Conecciones a Tierra

CONECCIONES A TIERRA


Estudiaremos dos sistemas de conecciones a tierra para protección de equipo
1. Protección de Antenas contra descargas eléctricas (Rayo)
2. Protección de Líneas Eléctricas contra descargas eléctricas (Rayo)

ANATOMÍA DEL RAYO

Cuando se está formando una tormenta, las nubes se cargan eléctricamente, algunas toman cargas positivas y otras cargas negativas debido a la ionización del espacio circundante. La tierra es nuestra referencia y establecemos que tiene un voltaje de cero voltios o voltaje neutral.

En la Figura 1 podemos observar que hay tres nubes y la polaridad de la carga de cada una. La atmósfera al buscar un equilibrio produce una descarga eléctrica (que en Panamá llamamos Rayo). Esta descarga es un flujo de electrones que se mueven del punto negativo al punto positivo y puede darse entre las nubes como el Rayo#1, puede darse entre la torre y la nube positiva como vemos en el Rayo#2 o puede darse entre un objeto que sobresalga de la tierra y una nube con carga negativa.

SENTIDO DE LA CORRIENTE

Benjamín Franklin fue el precursor en el estudio de la corriente electrica al descubrir la electricidad a finales del Siglo XIX durante una tormenta eléctrica. Él estableció el concepto de cargas positivas y negativas. Haciendo analogía con los fluidos, asumió que la corriente eléctrica es similar que una corriente de agua que viaja de un lugar a otro. Para Benjamín Franklin, las cargas eléctricas viajan de un punto de mayor potencial a otro punto con menor potencial de la misma forma que el agua en una cascada cae de un punto de mayor altura a un punto de menor altura.

Cuando fue descubierto el átomo, en el estudio de éste, los científicos se percataron de la presencia de partículas con carga negativa (los electrones), partículas positivas (los protones) y partículas con carga neutra (neutrones). El modelo del átomo de Bohr establecido en 1913 es el modelo actual del átomo donde el núcleo lo forman los protones y neutrones que son partículas más pesadas, mientras que los electrones orbitan (dan vueltas) alrrededor del núcleo. Sabemos además que los electrones son mucho mas livianos que los protones, por lo tanto, cuando se da el movimiento de cargas electricas serán los electrones los que se mueven de un punto donde hay exceso de electrones hacia un punto donde hay menos electrones, es decir, del polo negativo al polo positivo.

Cuando los científicos llegaron a esta conclusión, había un choque con la teoría de Benjamín Franklin, pues él estableció que la corriente se daba del positivo al negativo, mientras que con el nuevo concepto del átomo la corriente viaja del polo negativo al positivo. Esto significaba que el concepto de la corriente era lo contrario de lo que se había pensado. No se podían tirar al cesto de basura todas fórmulas y realizar nuevamente todos los estudios realizados, pues el átomo de Niels Bohr fue presentado en el año 1913 y para ese tiempo ya habían muchas fórmulas en la cabeza de los hombres de ciencia. Para no chocar con los modelos establecidos, se consideró como "Corriente Convencional" la corriente que circula del polo positivo al polo negativo de la batería al pasar por el circuito eléctrico, mientras que la "Corriente Real" se debe al movimiento de los electrones y se da del polo negativo al polo positivo. En resumen, hemos aceptado el modelo de Franklin para el estudio de los circuitos pero sabemos que el sentido de la corriente es contrario puesto que las cargas que se mueven son los electrones por se más livianas.

Como sabemos que son los electrones los que producen la corriente, decimos que el Rayo#1 viaja de la nube negativa a la nube positiva. El Rayo#2 viaja de la torre hacia la nube. Éste es el sentido de la corriente porque el rayo se hace más grueso cerca de la nube (como un río) y sus afluentes son menores. El Rayo#3 cae sobre el árbol porque hay varias ramificaciones en la nube que se unen para formar un rayo de la misma forma que varios ríos pequeños se unen para formar un gran río que desemboca en el mar. Hacemos la salvedad que establecemos este modelo en base a los conceptos conocidos hasta ahora, pero si en un futuro cambia el modelo atómico, nuevamente puede cambiar la dirección de la corriente en los circuitos.

Para nuestro estudio de protección contra rayos, no es importante que el rayo caiga en la antena, o que suba a partir de ésta. El daño será el mismo puesto que por los circuitos circulará una corriente mucho mayor que la corriente que estableció el ingeniero que diseñó el circuito. Por eso, cuando se da el evento de un descarga eléctrica decimos en Panamá: "Cayó un Rayo" y en tu país no sé si se dice igual.

PROTECCIÓN PARA ANTENAS

Cuando cae un rayo, la corriente buscará el camino más corto para llegar a tierra, entonces debemos ayudar al rayo dándole paso expedito por un camino que le vamos a hacer y evitar que la corriente pase por los equipos.

Observamos en la Figura#2 que el pararayos tipo Franklin se instala en la parte más alta de la torre. Este pararayos es una varilla de cobre de 8 pies de largo, se le conecta un cable eléctrico AWG#2 o mayor y debe bajar paralelo a la torre hasta una varilla enterrada en la base de la torre. Observemos que cuando cae el rayo, debe hacerlo en el pararayos (el punto más alto de la torre) y le hemos conectado un cable para dirigir la descarga a tierra (en línea recta).

En el panel de alimentación eléctrica AC, también colocamos una varilla a tierra lo cual protegerá el equipo de descargas eléctricas provenientes de las líneas de alimentación eléctrica, pues el rayo no necesariamente debe caer en el pararayos que hemos instalado en nuestra torre.

Hay un pararayos que tiene muchas espigas en su extremo más alto. A este se le conoce con el nombre de "disipador". El principio de él es distinto, cuando hay una tormenta eléctrica, el disipador ioniza la atmósfera cercana a la torre y cubre inclusive la casa donde están los equipos. No me ha dado buenos resultados en algunos lugares donde hay muchas tormentas eléctricas porque el disipador desvía el rayo y cae sobre las líneas de tendido eléctrico. Me he dado cuenta de ésto, porque durante la tormenta eléctrica cuando cae el rayo, el transmisor queda "fuera del aire". Cuando voy a reparar el equipo, encuentro daño en la fuente de fuerza, lo cual indica que la descarga entró por la línea eléctrica. Por ahora prefiero el pararayos tipo Franklin.

CONECCIÓN A TIERRA

En la base de la torre y en la caseta del
equipo los libros recomiendan enterrar
una varilla de 6 u 8 pies de largo. El
procedimiento por lo regular se realiza
clavando la varilla en la tierra con la
ayuda de un mazo. Sin embargo, en los
lugares con suelos rocosos esta opera-
ción se vuelve casi imposible.
En ese caso, usamos un tubo de cobre
de 2 pulgada de diámetro y 6 pies de
largo al cual se le introduce sal sin
refinar para mejorar la conductividad
del suelo rocoso.

Preparamos este tubo haciéndole 4 huecos (uno por cada lado) cada 6" de longitud del tubo. En la parte inferior del tubo se aplana o se coloca un tapón fijo mientras que en la parte superior instalamos una tapa removible (llamada registro) donde se introduce sal. Cada 6 meses debemos revisar el nivel de la sal. Si ha bajado, debemos rellenar el tubo. Mi ayudante llama "flauta" a este tipo de tubo y viendo la construcción del tubo, diríamos que tiene toda la razón. También en la parte superior del tubo se coloca una armella de cobre donde se amarra o se suelda con estaño el cable de conección a tierra.

Para instalar el tubo, abrimos con herramientas de jardinería y construcción un hueco en el suelo rocoso con una profundidad de 6 pies y un diámetro de 1 pie. Una vez que el tubo se coloca en forma vertical, rellenamos el hueco con la misma piedra mezclada con arena para mejorar la conductividad del suelo que rodea el tubo. Cuando el tubo está enterrado debe salir 2 o 3 pulgadas sobre la superficie del suelo donde tendremos el registro y la conección al cable de tierra.

Una vez que el tubo está enterrado, quitamos la tapa removible y se introducen 4 tazas de sal sin refinar por la abertura superior. Esto llenará casi 2 pies de la altura del tubo. Luego se vierte una taza de agua para que la sal se diluya y salga por los agujeros mojando el suelo que rodea la varilla. Repetimos el proceso de introducir la sal y el agua hasta que el nivel de la sal esté 1 pulgada debajo del borde donde está el registro del tubo. Si es muy difícil enterrar el tubo en forma vertical, el tubo puede doblarse en forma de letra "L" y enterrarlo horizontalmente a una profundidad de 1 pie pero siempre dejando la boca del tubo perpendicular a la superficie del suelo y con la tapa de registro visible.

PROTECCIÓN DE LÍNEAS ELÉCTRICAS

Regularmente, en la caja de interruptores para los circuitos (breakers), se hace una conección a tierra, según lo especificado por NEC (National Electric Code) o el "Manual para Instalaciones Eléctricas" establecido por la compañía de distribución eléctrica de su país. (Puede solicitar copia del manual en la compañía que le presta el servicio eléctrico).

Sin embargo, a las instalaciones debemos hacer ligeros cambios para proteger nuestros equipos contra rayos. Recordemos que el rayo viaja a 360,000 Km/s (que es la velocidad de la luz). Cuando un objeto viaja a esta velocidad, nos presenta ciertas características no contempladas en la Fisica Clásica, y en este caso, el flujo de electrones presenta cierta inercia. Como la descarga eléctrica tiene una duración de unos cuantos micro-segundos (millonésimas de segundo), podemos aprovecharnos de la inercia y hacer que el rayo pierda suficiente energía antes de llegar a nuestro equipo. Recordemos que la descarga viajará en línea recta y si damos varias vueltas a los cables, la descarga producto del rayo perderá energía con cada cambio de dirección.

Tomemos por ejemplo, la Figura#4, donde podemos ver que la alimentación eléctrica proveniente de la compañía de distribución entra al interruptor principal, luego llevamos la electricidad en una tubería PVC por el piso hasta llegar al protector de línea AC. Luego regresamos por el piso hasta el regulador de voltaje (si hay problemas de subida y bajada del voltaje donde están los transmisores). Del regulador de voltaje, pasamos al panel de interruptores breakers y es en este lugar donde colocamos la varilla de conección a tierra. Del panel de los breakers destinamos un circuito al transmisor, otro para los equipos de enlace, otro para los tomacorrientes, otro para la iluminación del local y finalmente otro circuito para el sistema de iluminación de la torre.

Con todas estas vueltas, la descarga eléctrica del rayo tiene que llegar muy debilitada al equipo, pues el protector de línea tiene entre otros componentes los MOV (Metal Oxide Varistor), en el regulador de voltaje también hay los MOV y en la entrada de alimentación eléctrica del transmisor también hay MOV. Los MOV son dispositivos semiconductores que eliminan los picos de voltaje por encima del valor especificado. Para la instalación eléctrica en el local del transmisor, usamos MOVs con voltaje límite de 275 Volts puesto que los 240Vac no le harán efecto. Sin embago, un voltaje mayor será absorbido por el MOV.

EXCESO DE TIERRA

En los estudios, donde hay equipos de audio, debemos instalar un solo ground interconectando todas las varillas de conección a tierra con un cable de cobre tamaño AWG#8. Con esto evitamos un zumbido de 60Hz de baja intensidad llamado Hum y que se produce cuando hay dos conecciones a tierra en puntos distintos. El nivel de este hum es muy bajo (menos de 50dB por debajo del nivel normal de audio) pero es audible cuando en la emisora el equipo está encendido y no hay música. Muchas veces se oye el zumbido cuando termina el disco y queda un espacio de tiempo antes del bloque de comerciales.


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El Ing. José Rodríguez se dedica al mantenimiento de estaciones de radio
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