El impacto de la puesta a tierra eléctrica en la seguridad operativa y la vida útil de los equipos

El impacto de la puesta a tierra eléctrica en la seguridad operativa y la vida útil de los equipos

Un sistema de puesta a tierra descuidado es uno de los mecanismos de falla más subestimados en las instalaciones de petróleo y gas. A diferencia de una bomba averiada o una válvula con fugas, un electrodo de tierra degradado no muestra señales hasta que la corriente de falla encuentra un camino que no debería — a través del bastidor de un motor, la carcasa de un panel de control o el cuerpo de un trabajador. Las consecuencias van desde disparos molestos que afectan la disponibilidad de producción hasta eventos de arco eléctrico e incendios en una área clasificada. Lograr una puesta a tierra correcta no es solo una casilla de verificación en la puesta en marcha; es una disciplina operativa continua.

Por qué la puesta a tierra es vital en instalaciones de hidrocarburos

La puesta a tierra eléctrica realiza dos tareas distintas pero interdependientes. La puesta a tierra del sistema establece la referencia de voltaje entre la red de distribución eléctrica y tierra, controla las sobretensiones y define las trayectorias de retorno de la corriente de falla. La puesta a tierra de equipos une todas las partes metálicas que no transportan corriente — bastidores de motores, bandejas de cables, patines de recipientes, carcasas de instrumentos — a la misma referencia. Esto evita que cualquier superficie que un trabajador pueda tocar alcance un potencial peligroso bajo condiciones de falla.

Cuando cualquiera de las funciones se degrada, las consecuencias se agravan. Como señala el libro blanco de Emerson sobre pruebas de sistemas de tierra, los problemas de distribución eléctrica y seguridad causados por una mala puesta a tierra están bien documentados en las plantas industriales; sin embargo, la infraestructura de puesta a tierra se pospone rutinariamente durante la planificación del mantenimiento porque es invisible y su modo de falla es gradual.

En un entorno de procesamiento de hidrocarburos, esos potenciales no deseados conllevan un riesgo adicional: una falla por arco en una zona Zone 1 o Zone 2 es una fuente de ignición. Por lo tanto, la puesta a tierra no es simplemente un problema de integridad eléctrica; es una barrera de seguridad de procesos.

Estándares y contexto regulatorio

Los ingenieros que diseñan o auditan sistemas de puesta a tierra en instalaciones de petróleo y gas deben trabajar dentro de un marco de estándares estratificado:

• IEC 60364 (Instalaciones eléctricas de baja tensión) rige los requisitos de puesta a tierra de sistemas y equipos para la instalación eléctrica general.
• IEC 61511 (Seguridad funcional - Sistemas instrumentados de seguridad para el sector de la industria de procesos) exige que la infraestructura eléctrica que soporta las funciones instrumentadas de seguridad, incluida la puesta a tierra, se mantenga al nivel de integridad exigido por la función instrumentada de seguridad.
• NFPA 70 (Código Eléctrico Nacional) y NFPA 780 (Estándar para la instalación de sistemas de protección contra rayos) establecen los requisitos de puesta a tierra y unión aplicables en las jurisdicciones de América del Norte.
• API RP 505 (Práctica recomendada para la prevención de incendios y explosiones en refinerías) aborda la unión y puesta a tierra de equipos en atmósferas inflamables.
• IEC 60079-14 (Atmósferas explosivas - Diseño, selección y montaje de instalaciones eléctricas) incluye requisitos específicos de puesta a tierra y unión para equipos en área clasificada.

Cuando una instalación opera en múltiples niveles de tensión — por ejemplo, una subestación de HV combinada, un bus de motor de MV y una instalación de lazo de instrumentos de LV — el diseño de puesta a tierra debe considerar las interacciones entre esos sistemas. La investigación sobre instalaciones eléctricas de múltiples voltajes confirma que optimizar el sistema de puesta a tierra a través de los niveles de tensión requiere un modelado explícito de la distribución de la corriente de falla y el potencial de paso/contacto, no un enfoque de electrodo de punto único (MDPI, 2024).

Arquitecturas de sistemas de puesta a tierra

Sistemas sólidamente conectados a tierra

En un sistema sólidamente conectado a tierra, el neutro del transformador se conecta directamente a tierra. Esta disposición produce altas corrientes de falla en una falla de fase a tierra, lo que impulsa una operación rápida del relé de protección y limita la duración de la falla. La desventaja es que la alta corriente de falla en sí misma puede causar daños mecánicos y térmicos al equipo antes de que el dispositivo de protección despeje la falla.

Los sistemas sólidamente conectados a tierra son comunes en la distribución de LV donde el NEC o IEC 60364 los exige, y donde se prefiere el despeje rápido de fallas sobre la continuidad del suministro.

Puesta a tierra de alta resistencia

La puesta a tierra de alta resistencia (HRG) limita la corriente de falla a tierra a un nivel bajo — definido por la impedancia del resistor de neutro insertado — mientras permite que el sistema continúe operando con una sola falla de fase a tierra presente. Esto es particularmente valioso en entornos de procesos continuos donde un disparo inmediato de un bus de motor causaría una perturbación de proceso peligrosa. Los sistemas HRG aumentan la continuidad del servicio y mejoran la seguridad del personal al eliminar la condición de falla a tierra por arco que puede desarrollarse en sistemas no conectados a tierra (RPM Engineering, 2009).

El HRG es aplicable a sistemas de potencia industriales de 480 V a 4160 V. Un requisito operativo crítico es que la primera falla a tierra debe localizarse y despejarse antes de que se desarrolle una segunda falla en una fase diferente; una segunda falla en un sistema HRG produce una corriente de falla de fase a fase que el sistema no puede limitar. Las instalaciones que utilizan HRG deben, por lo tanto, tener un procedimiento disciplinado de localización de fallas a tierra y no deben tratar la "alarma de primera falla" como una notificación de baja prioridad.

Sistemas no conectados a tierra

Los sistemas no conectados a tierra ofrecen beneficios de continuidad similares al HRG pero sin la limitación controlada de la corriente de falla. Son susceptibles a sobretensiones transitorias que pueden alcanzar múltiplos del voltaje nominal de fase a tierra durante fallas a tierra intermitentes. El documento de aplicación de Eaton sobre sistemas conectados a tierra en instalaciones de misión crítica identifica la sobretensión como un factor principal de degradación del aislamiento y falla del equipo en sistemas no conectados a tierra, y recomienda evitar su uso en nuevas instalaciones donde existan alternativas.

Comparación de arquitecturas de puesta a tierra

Implicaciones en la vida útil de los equipos

La calidad de la puesta a tierra afecta directamente la vida útil de los equipos rotativos, la instrumentación y la electrónica de potencia. Los mecanismos son varios:

Estrés del aislamiento por sobretensión. En sistemas no conectados a tierra o mal conectados a tierra, las sobretensiones transitorias estresan el aislamiento del devanado del motor de forma acumulativa. Cada evento transitorio no causa necesariamente una falla inmediata, pero el sistema de aislamiento acumula daños. Con el tiempo, esto se manifiesta como una falla prematura del devanado a una fracción de la vida útil de diseño del motor.

Corrosión por corrientes parásitas. Donde los electrodos de tierra o los conductores de unión están corroídos o rotos, las corrientes de falla y de fuga buscan trayectorias metálicas alternativas: tuberías, acero estructural, tuberías de instrumentación. La corrosión electroquímica en el punto donde la corriente parásita sale de la estructura metálica puede causar una pérdida de pared localizada a una tasa desproporcionada con respecto a la corrosión general. En un sistema de tuberías de hidrocarburos, esto es una amenaza directa a la integridad.

Corrientes de eje en variadores de frecuencia (VFD). Los VFD producen corrientes de modo común de alta frecuencia que, sin una unión de alta frecuencia adecuada entre el bastidor del motor y el gabinete del variador, circulan a través del eje y los rodamientos del motor. El estriado resultante en los rodamientos provoca fallas prematuras. La puesta a tierra adecuada y la práctica de terminación de cables blindados es la mitigación principal.

Integridad de la señal de instrumentos. Los bucles de tierra — creados cuando los blindajes de los cables de instrumentos se conectan a tierra en ambos extremos a diferentes potenciales — introducen ruido en los circuitos de 4–20 mA y de termopares de bajo nivel. En una instalación con un sistema de puesta a tierra degradado, pueden existir múltiples puntos de referencia de tierra a diferentes potenciales, lo que dificulta la eliminación sistemática de los bucles de tierra.

La antigüedad de un sistema de puesta a tierra es en sí misma un factor de riesgo. Los electrodos de tierra, los conductores de unión y las conexiones de abrazaderas se deterioran con el tiempo; las condiciones ambientales, incluida la química del suelo, la humedad y los ciclos de temperatura, aceleran la degradación (VFC LP, artículo sobre la antigüedad del sistema de puesta a tierra). Un sistema que cumplía con su especificación de resistencia de diseño en la puesta en marcha puede haberse desviado significativamente a la mitad de la vida de la instalación.

Escenario Ilustrativo

Lo siguiente es ilustrativo y no representa un incidente documentado específico.

Considere una estación de compresión de gas nueva con cuatro compresores accionados por motores de media tensión en un bus de 4160 V no aterrado. En la puesta en marcha, las pruebas de resistencia de aislamiento en todos los devanados del motor pasan con un margen cómodo. A lo largo de varios años de operación, las sobretensiones transitorias debidas a fallas a tierra intermitentes —que nunca se alarmaron porque el sistema no tiene detección de fallas a tierra— estresan progresivamente el aislamiento de los devanados. La primera falla del devanado ocurre en el tercer año de operación, atribuida a un "defecto de fabricación". La segunda falla ocurre dentro del año siguiente. Solo cuando falla un tercer motor y se realiza una investigación de causa raíz, el equipo identifica el sistema no aterrado como la causa común. La modernización con HRG con monitoreo continuo de fallas a tierra y el reemplazo de los tres motores fallidos representa un impacto en el costo y el cronograma que una arquitectura de puesta a tierra inicial correcta habría evitado por completo.

Lista de Verificación de Inspección, Pruebas y Mantenimiento

El mantenimiento del sistema de tierra no es una medición única: es un programa. Los siguientes elementos definen una línea base mínima:

• [ ] Pruebas de resistencia del electrodo de tierra — Medir y analizar la tendencia de la resistencia del electrodo a intervalos definidos utilizando los métodos de caída de potencial o de pinza sin picas. Investigar cualquier tendencia ascendente sostenida frente a la línea base de la puesta en marcha.
• [ ] Continuidad del conductor de unión (bonding) — Verificar la continuidad de baja resistencia desde todos los bastidores de equipos, bandejas de cables y patines de recipientes hasta el bus de tierra principal. Prestar especial atención a las conexiones de abrazaderas atornilladas en entornos húmedos o químicamente agresivos.
• [ ] Inspección visual de los conductores de puesta a tierra — Comprobar si hay daños mecánicos, corrosión en las terminaciones y la adecuación del tamaño del conductor tras cualquier modificación del sistema.
• [ ] Prueba de funcionamiento del monitor HRG — Donde esté instalado un HRG, verificar que el detector de fallas a tierra y el circuito de alarma funcionen. Esta prueba debe realizarse con una frecuencia definida; una falla del monitor no detectada anula todo el beneficio de continuidad del HRG.
• [ ] Tendencia de la resistencia de aislamiento — Analizar la tendencia de la resistencia de aislamiento de los devanados de motores y transformadores a lo largo del tiempo. Una tendencia descendente sostenida en los valores de IR puede indicar estrés por sobretensión debido a un problema del sistema de puesta a tierra en lugar de ingreso de humedad.
• [ ] Auditoría de instalación de VFD — Confirmar que los cables blindados del motor estén terminados con conexiones de abrazadera de 360 grados en ambos extremos y que los bastidores del motor estén unidos con un conductor de tierra de alta frecuencia dedicado.
• [ ] Verificación de unión en área clasificada — Confirmar que todo el equipo en zonas clasificadas esté unido según los requisitos de IEC 60079-14. La unión estática de los puntos de carga de camiones cisterna y equipos portátiles debe tener un cronograma de inspección independiente.
• [ ] Revisión posterior a la modificación — Cualquier adición de equipo nuevo, reencaminamiento de cables o modificación de subestación debe activar una revisión de la puesta a tierra antes de la energización.

Conclusión

La integridad del sistema de puesta a tierra es una condición fundamental tanto para la seguridad del personal como para la confiabilidad del equipo en las operaciones de petróleo y gas. Una puesta a tierra degradada no se anuncia por sí sola: erosiona la vida útil del aislamiento, introduce corrosión por corrientes parásitas, corrompe las señales de los instrumentos y crea riesgos de ignición en áreas clasificadas, todo mientras parece eléctricamente normal para los operadores.

El paso inmediato para cualquier instalación que no pueda presentar una tendencia reciente de resistencia de electrodos de tierra, un registro actual de continuidad de unión o un certificado de prueba funcional para sus monitores HRG es encargar una auditoría del sistema de tierra. Esa auditoría debe cubrir la medición de la resistencia de los electrodos, la inspección de los conductores de unión y una revisión de la idoneidad de la arquitectura de puesta a tierra frente a la configuración de carga actual, particularmente si se han agregado VFD o motores de media tensión adicionales desde la puesta en marcha original. Trate los hallazgos como lo haría con un informe de inspección de un recipiente a presión: asigne acciones correctivas, establezca fechas de finalización y ciérrelas antes de la próxima parada de planta programada.