TEORIA Y APLICACION DE LOS CONECTORES
UNA GUIA PARA EL DISEÑO Y LA ESPECIFICACION DE CONEXIONES
Material
traducido de FCI Electrical, Tercera Edición Revisada, escrito por:
- G. Di Troia - Miembro de la IEEE de FCI Electrical de Estados Unidos
- Kenneth Woo - FCI Electrical de Estados Unidos
- Gaylord Zahlman - FCI Electrical de Estados Unidos
1.1 PUESTA A TIERRA Y CONEXION EQUIPOTENCIAL
Hay diversos objetivos principales para el suministro de un buen sistema de puesta a tierra: la seguridad del personal encabeza la lista, seguida por la protección del equipo, la calidad de la referencia de la señal, el camino de retorno para las fallas y/o picos, y la disipación de la estática.
Para cumplir con todos estos objetivos, las interconexiones del sistema a tierra deben mantener una baja resistencia de contacto (ver la Figura 1.4.1), a menudo bajo condiciones adversas, durante el tiempo de vida deseado de la puesta a tierra. Las conexiones en una red a tierra están sujetas a una severa corrosión, elevados esfuerzos mecánicos debido a las fuerzas electromagnéticas y un rápido calentamiento térmico (ver la Figura 1.4.2) debido a elevados valores de corrientes durante las condiciones de falla.
1.1.1 Corrosión
Las conexiones a tierra tienen aplicaciones por encima y por debajo del nivel de corrosión y como tales, están sujetos a diversos tipos de corrosión.
Por encima del grado de corrosión ocurren principalmente a través de la acción galvánica cuando se exponen a una fuente electrolítica. Este tipo de corrosión es más pronunciada cuando el material del conector difiere significativamente del material del conductor en su nobleza (referido a los metales nobles). En la presencia de una solución electrolítica, se forma una celda electrolítica permitiendo que fluya la corriente corrosiva del material anódico al material catódico.
Con el tiempo, la pérdida de iones del material anódico (sea de la conexión o del conductor) ocasionará una reducción de la eficiencia promedio de la conexión y eventualmente puede ocasionar una falla. Como los metales en contacto directo están sujetos a una mínima corrosión galvánica, es difícil establecer un potencial eléctrico.
En ambientes por debajo del nivel de corrosión también expondrán a una conexión a condiciones que ocasionarán una corrosión galvánica (ver la Figura 1.1-1). Además, las conexiones por debajo del nivel de corrosión están sujetas a una corrosión acídica. Las condiciones del terreno pueden variar en gran medida de un lugar a otro, y el pH del terreno variará proporcionalmente. Los terrenos acídicos pueden ser extremadamente severos en aleaciones. Por ejemplo, el bronce con elevada concentración de zinc generalmente tiene un pobre rendimiento en terrenos acídicos. Por otro lado, el cobre puro y las aleaciones con elevada concentración de cobre rinden muy bien en la mayoría de condiciones de terreno.
Figura 1.1-1 Corrosión galvánica entre la barra de acero a tierra y la conexión de cobre
1.1.2 Corriente de Falla
La primera tarea de un sistema de puesta a tierra, conducir de forma segura las corrientes de falla a tierra, es también una fuente de esfuerzo en las conexiones de puesta a tierra. Las fuerzas electromagnéticas se desarrollan rápidamente y ejercen un esfuerzo mecánico a todos los puntos de conexión. La magnitud y dirección de la fuerza mecánica se relaciona al camino de conducción, a la proximidad del conductor y a la magnitud de la corriente de falla.
Además de la tensión física, las conexiones a tierra también deben soportar un elevado choque térmico debido al paso de la corriente de falla. Dependiendo de cómo los electrodos del sistema de puesta a tierra son dimensionados, las temperaturas en el conductor pueden alcanzar de 250°C (para el cobre en aplicaciones de tensiones) hasta encima de los 600°C. El conector debe ser capaz de manejar estas temperaturas extremas sin pérdida de integridad.
1.1.3 Aplicaciones Especiales de Puesta a Tierra
Aparecen condiciones especiales en el sistema de puesta a tierra cuando se consideran todas las estructuras que requieren conexión equipotencial a la red de puesta a tierra. Para proteger al personal de potenciales tensiones peligrosas, se debe unir el sistema de puesta a tierra a estructuras conductivas sin circuito, tales como cercas, tuberías de agua y acero estructural. Estas estructuras a menudo requieren consideraciones especiales para su conexión debido a sus materiales y a su configuración geométrica.
A menudo las cercas tipo poste, las puertas, y el cableado tipo malla y lengüeta requieren ser conectadas al sistema de puesta a tierra. Las conexiones en postes requieren de conectores adecuados a una geometría tipo tubo. Las conexiones a puertas requieren flexibilidad para resistir la ruptura debido a los ciclos repetidos de apertura y de cierre.
Las conexiones a tuberías (incluyendo postes, tuberías de agua, conductos, etc.) están sujetas a la corrosión galvánica, especialmente cuando las tuberías son de derivados de hierro. La mayoría de los conectores de tuberías son mecánicos y están hechos de cobre o de aleaciones basadas en cobre para asegurar una conexión más duradera al terminal a tierra. Los conectores mecánicos permiten la conexión directamente a la circunferencia de la tubería, aunque para aplicaciones de baja corriente también son adecuados los del tipo de brida de la tubería.
En algunos casos, las conexiones a la tubería están hechas de soldaduras. Sin embargo, antes de soldar a una tubería, es necesario entender completamente su uso. La pared o brida de la tubería se debilitará estructuralmente por el calor intenso del proceso de soldado, y puede eventualmente ocasionar una falla operacional. Cuando se encuentre en duda de la extensión del daño que puede ocasionar una soldadura, es mejor usar medios alternativos de conexión.
La conexión al acero estructural tiene similares requerimientos a los descritos para las tuberías, incluyendo su configuración única, el potencial a la corrosión y a la dependencia estructural. Muchos ingenieros de estructuras y arquitectos no permitirán el taladrado o soldado a las vigas tipo I. Como resultado, son necesarios métodos alternativos de conexión. La Figura 1.1-2 muestra un conector mecánico de viga tipo I con conexiones para barras de compresión a tierra usados en una aplicación temporal a tierra.
Se deben tener muy en cuenta las capas protectoras a la corrosión cuando se hacen conexiones a componentes fuera del circuito. A los encerramientos pintados o las superficies con epóxico se deben retirar estas capas no conductivas antes de hacer las conexiones. Sin embargo, con superficies plateadas, tales como de acero galvanizado, no deben retirarse estas capas. Las capas de plata han sido especificadas para aumentar la longevidad de la función primaria del objeto. En estos casos, puede que no sea posible usar procesos de soldado para hacer las conexiones. El calor extremo fundirá las capas y expondrá el material de base para la corrosión.
Figura 1.1-2 Conexión Estructural de Acero
Sin importar el tipo de acabado, el área de contacto debería ser limpiado y debe aplicársele un adecuado compuesto inhibidor de óxido antes de hacer la conexión. Además, las conexiones al sistema de puesta a tierra deberían ser hechos a ambos lados de los acopladores no metálicos; por ejemplo, aquellos usados para unir las secciones de las tuberías.
1.1.4 Diseño de la Conexión a Tierra
El conductor de cobre es la primera elección para construir sistemas de puesta a tierra. El cobre tiene una excelente conductividad eléctrica, disipa rápidamente la energía térmica y tiene buena resistencia a la corrosión. Los conectores a tierra deberían tener similares propiedades para asegurar un similar rendimiento. El cobre y las aleaciones con alto contenido de cobre se usan para minimizar la corrosión galvánica con los conductores a tierra de cobre, para aumentar la longevidad en aplicaciones con bajo nivel de corrosión y para soportar los rigores de repetidas corrientes de falla.
Un requerimiento mínimo para los conectores a tierra debería ser la capacidad de cumplir la Norma 467 de UL para Puestas a Tierra y Conexión Equipotencial. Al cumplir los requerimientos en esta norma, el usuario puede confiar que el conector tiene más de un 80% de cobre (si se marca para "enterramiento directo") y que ha pasado la prueba de corriente de falla. Se pueden realizar pruebas alternativas a los conectores, pero lo mínimo que se debe requerir es el criterio de la norma UL 467.
La Norma 837 de la IEEE para la Calificación de Conexiones Permanentes Usadas en Puestas a Tierra de Subestaciones excede los requerimientos de rendimiento de otros estándares de conexiones de puestas a tierra. Las pruebas bajo la norma 837 de la IEEE simulan de forma muy aproximada los requerimientos de rendimiento de las conexiones de puestas a tierra de subestaciones. El esfuerzo mecánico y eléctrico es probado mediante pruebas de fuerza electromagnética y adherencia (pullout), y la longevidad se prueba mediante pruebas secuenciales del mismo juego de conectores e incluye el ciclo de calentamiento estático, el ciclo de hielo / deshielo, la exposición a la corrosión (acídica o alcalina), y finalmente la corriente de falla. Los conectores que cumplen la norma 837 de la IEEE son adecuados para todas las aplicaciones de puesta a tierra y no requieren de consideraciones especiales, tales como el derrateo por temperatura.