Diseño de sistemas de puesta a tierra eléctrica y protección contra rayos para grúas: guía completa sobre puesta a tierra TN-S, conexión equipotencial y SPD
📌 El sistema de puesta a tierra eléctrica y de protección contra rayos de las grúas es un elemento fundamental del diseño de seguridad de las grúas aéreas al aire libre para prevenir los impactos de rayos y los accidentes eléctricos.Según la norma GB 50057 «Norma de diseño de protección contra rayos en edificios», las grúas pertenecen a la segunda categoría de edificios con protección contra rayos, por lo que deben estar equipadas con pararrayos (que sobresalgan ≥1 m por encima del punto más alto), utilizar la estructura de acero como conductor de bajada natural e instalar un sistema de puesta a tierra en bucle a lo largo de toda la longitud de la vía (resistencia ≤4 Ω). El sistema de distribución eléctrica adopta el sistema TN-S (cableado independiente de PE/N), se instalan protectores contra sobretensiones (SPD) en los circuitos críticos y se realiza una conexión equipotencial de todos los componentes metálicos. La probabilidad de que una grúa pórtico exterior sufra un impacto de rayo es de aproximadamente 0,5 a 1 vez al año (calculada para una altura de 30 m y 40 días de tormentas eléctricas al año); un sistema de protección contra rayos adecuado puede reducir la probabilidad de daños por rayos a menos de 1%.
Clasificación de los sistemas de protección contra rayos y diseño de pararrayos
Las grúas al aire libre son estructuras metálicas de gran altura y, según la norma GB 50057-2010 «Norma de diseño de protección contra rayos para edificios», se clasifican como edificios de protección contra rayos de segunda categoría. Las necesidades de protección contra rayos deben evaluarse por separado para los estados de funcionamiento y de inactividad de la grúa: en estado de funcionamiento, cuando hay personal de操作 en la cabina del operador, se aplica el método de la bola rodante, con un radio de 45 m; en estado de inactividad (sin personal de操作), la estructura de acero de la grúa puede actuar como pararrayos natural para conducir la corriente de rayo. La evaluación del riesgo de impacto de rayo se calcula según el número anual previsto de impactos de rayo N = k × Ng × Ae, donde k es el coeficiente de corrección (se toma 2 para estructuras metálicas aisladas y elevadas), Ng es la densidad media anual de impactos de rayo en el suelo (impactos/km²·año) y Ae es el área de captación equivalente. Una grúa pórtico de 30 m de altura, en una zona con 40 días de tormentas eléctricas al año, tiene un número estimado de impactos de rayo al año de entre 0,5 y 1.
El pararrayos se instala en el punto más alto de la grúa, es decir, en la parte superior del carro o en el techo de la cabina del conductor. El pararrayos está fabricado con barra redonda de acero inoxidable (diámetro ≥ 12 mm) o tubo de acero galvanizado (DN25), y sobresale ≥ 1 m por encima del punto más alto de la grúa. El pararrayos se une a la estructura de acero de la grúa mediante una soldadura fiable; la longitud de la soldadura no debe ser inferior a seis veces el diámetro de la barra redonda, la altura del cordón de soldadura debe ser ≥ 4 mm y, tras la soldadura, se debe aplicar pintura antioxidante. En entornos costeros o altamente corrosivos, la vida útil de los pararrayos de acero inoxidable puede alcanzar los 15-20 años, mientras que la de los tubos de acero galvanizado es de aproximadamente 8-12 años. En los casos en que las condiciones lo permitan, se pueden instalar pararrayos de descarga anticipada activa (pararrayos ESE); en comparación con los pararrayos Franklin tradicionales, su radio de protección se amplía entre un 30% y un 50%, pero es necesario comprobar que el producto cuente con la certificación GB/T 21431.
Cuando la grúa se encuentra en funcionamiento, la cabina de conducción requiere protección adicional contra los rayos directos. En el techo de la cabina se debe instalar una banda o malla pararrayos independiente, con un tamaño de malla no superior a 5 m × 5 m. La banda pararrayos debe estar fabricada con acero redondo galvanizado de un diámetro ≥ 8 mm o con acero plano de sección ≥ 48 mm² (espesor ≥ 4 mm). Si el espesor de las chapas metálicas de la carcasa de la cabina es ≥ 4 mm, esta puede actuar directamente como pararrayos; si es inferior a 4 mm, deberá instalarse una banda pararrayos. Las uniones soldadas y el tratamiento anticorrosivo de todas las bandas y redes pararrayos deberán cumplir los mismos requisitos que los del pararrayos principal. Cuando la grúa no está en funcionamiento y se encuentra estacionada en su posición de anclaje, la estructura de acero en su conjunto asume la función de pararrayos.
Las líneas de bajada están conectadas eléctricamente a la estructura de acero
La función del conductor de bajada es conducir la corriente de rayo captada por el pararrayos hacia el sistema de puesta a tierra. Los grandes elementos metálicos de la estructura de acero de la grúa, como la viga principal, las vigas de extremo y las patas de apoyo, pueden utilizarse como conductores de bajada naturales, sin necesidad de instalar conductores de bajada de cobre adicionales. La clave reside en garantizar una conexión eléctrica fiable entre todos los componentes metálicos: en las uniones atornilladas deben instalarse cables de puente, fabricados con cable trenzado de cobre de una sección transversal no inferior a 50 mm², con terminales de cobre prensados en ambos extremos, y el par de apriete de los tornillos debe ajustarse según la norma GB/T 1228. La resistencia total del conductor de bajada, desde el pararrayos hasta el dispositivo de puesta a tierra, no debe superar 1 Ω; esta resistencia puede medirse en cada tramo de conexión del conductor de bajada mediante un medidor de resistencia de puesta a tierra.
Los cables de puente deben colocarse de manera que cubran todos los puntos de unión no soldados: la unión atornillada entre la viga principal y la viga terminal, la unión entre la viga terminal y la brida de las patas de apoyo, la unión entre el bastidor del carro y el conjunto de ruedas, y la unión entre la cabina del conductor y la viga principal. Se instalará un cable de puente en cada punto de unión; el cable será de tipo BVR-50 mm², de núcleo de cobre y color amarillo-verde, protegido por un tubo corrugado ignífugo. El radio de curvatura de los cables de puente no debe ser inferior a seis veces el diámetro exterior del cable, y se debe dejar un margen de 200 mm en ambos extremos para evitar que se rompan por la tensión durante el funcionamiento. Krude Heavy Industry coloca en ambos extremos de cada cable de puente una placa de identificación de puesta a tierra bien visible, para facilitar al personal de mantenimiento la comprobación periódica del estado de las conexiones.
El sistema de catenaria también debe integrarse en el recorrido de los cables de bajada. La carcasa de la catenaria cuenta con un punto de conexión a tierra cada 10 m, que se conecta de forma fiable a la estructura de acero de la viga principal de la grúa mediante un cable amarillo-verde BVR de 16 mm². La capa metálica de blindaje del cable se conecta a tierra en ambos extremos, y en el tramo intermedio se repite la conexión a tierra cada 50 m, para garantizar que el potencial de la capa de blindaje sea el mismo que el de la estructura de acero. En cuanto al diseño de la arquitectura general del sistema de control eléctrico de la grúa puente y a los métodos de puesta a punto del programa del PLC, puede consultarse la serie de artículos correspondientes.Proceso completo de diseño del sistema de control eléctrico de una grúa: desde la elaboración de esquemas eléctricos hasta la puesta a punto del programa del PLC. Práctica de ingeniería. En los casos en que la alimentación proviene de un variador de frecuencia, también es necesario realizar una conexión a tierra EMC en el apantallamiento del cable: en el lado del variador se utiliza una conexión a tierra circular de 360°, mientras que en el lado del motor se emplea una conexión a tierra HF (conexión a tierra por acoplamiento capacitivo de alta frecuencia), para suprimir la propagación de las interferencias armónicas a lo largo del apantallamiento.
Diseño de los sistemas de puesta a tierra y resistencia de puesta a tierra
El sistema de puesta a tierra de la grúa está formado por electrodos de puesta a tierra horizontales y verticales, dispuestos a lo largo de toda la longitud del carril. Los electrodos de puesta a tierra horizontales son de acero plano galvanizado (-40 mm × 4 mm) o de acero redondo galvanizado (diámetro ≥ 12 mm), con una profundidad de enterramiento no inferior a 0,8 m y una distancia mínima de 0,5 m respecto al borde de la base del carril. Los electrodos de puesta a tierra verticales son de perfil angular galvanizado (∠50 × 50 × 5 mm, longitud L = 2,5 m), dispuestos uniformemente a una distancia de 5 m entre sí, con un número no inferior a 4. La parte superior de los perfiles angulares se situará a una distancia del suelo no inferior a 0,8 m; estos se unirán mediante soldadura a los electrodos de puesta a tierra horizontales y, tras la soldadura, se someterán a un tratamiento anticorrosivo. El valor de la resistencia de puesta a tierra del sistema completo deberá ser ≤ 4 Ω; en zonas con alta resistividad del suelo, este valor podrá ampliarse hasta ≤ 10 Ω, pero será necesario aplicar un tratamiento de equipotencial.
La conexión entre los carriles y el dispositivo de puesta a tierra constituye el último eslabón del sistema de puesta a tierra. En cada extremo de cada carril se establece un punto de conexión a tierra, y los carriles se unen directamente al electrodo de puesta a tierra horizontal mediante soldadura o unión atornillada con cable trenzado de cobre BVR de 50 mm². A ambos lados de las juntas de las vías (uniones en cola de pez) se instalará un punto de puente de puesta a tierra, con una sección transversal del cable de puente no inferior a 50 mm². A lo largo de las vías, se instalará un punto de conexión de puesta a tierra repetida cada 30 m. En las juntas de dilatación de las vías, los cables de puente deben tener un margen suficiente (curva de ≥150 mm) para compensar la dilatación térmica. La resistencia de contacto de todos los puntos de conexión a tierra no debe superar los 0,03 Ω, lo cual se comprueba mediante un microohmímetro.
La medición de la resistencia de puesta a tierra se realizará una vez finalizada la obra y, además, una vez al año antes de la temporada de tormentas eléctricas. Se utilizará el método de tres electrodos (con un medidor de resistencia de puesta a tierra, como el Fluke 1625), colocando los electrodos de corriente y de potencial a una distancia equidistante de C: 20 m y P: 15 m, respectivamente. Durante la medición, la grúa se encuentra fuera de servicio y todos los puntos de conexión a tierra están correctamente conectados. Cuando el valor de resistencia medido supere los 4 Ω, se deberán adoptar medidas para reducir la resistencia: aumentar el número de electrodos de puesta a tierra verticales, utilizar agentes reductores de resistencia (como la bentonita o agentes químicos reductores de resistencia, con una reducción de entre el 30 % y el 50 %) o aumentar la longitud de los electrodos de puesta a tierra horizontales. En zonas rocosas, se puede considerar el relleno con tierra de sustitución (sustituir el suelo original de la cimentación por suelo de baja resistividad).
Conexión equipotencial y puente de conexión
| Objetos isopotenciales | Especificaciones de los cables de puente | Métodos de conexión | Requisitos de control |
|---|---|---|---|
| Unión con pernos de la viga principal, la viga de extremo y las patas de apoyo | Cable trenzado de cobre BVR-50 mm² | Prensado de terminales de cobre + fijación con pernos | Momento, según la norma GB/T 1228 |
| Carcasa del sistema de contacto deslizante | Cable BVR de 16 mm² de color amarillo y verde | Se instalarán puntos de conexión a tierra cada 10 m. | Inspección visual + fijación |
| Componentes metálicos de la cabina / Puertas y ventanas | Cable BVR de 6 mm² | Conectar a la regleta de conexión equipotencial | Continuidad de la conexión a tierra ≤ 0,2 Ω |
| Cables de acero y ganchos de elevación | Cable de puesta a tierra de ≥4 mm² | Cepillo de contacto a tierra (presión ≥ 15 N) | Comprobación de continuidad en la inspección anual |
| A ambos lados del componente aislante (amortiguador/acoplador) | Cable de puente BVR-10 mm² | Prensado de los pernos en ambos extremos | No se observan signos de óxido ni corrosión a simple vista |
La conexión equipotencial cuenta con un componente que suele pasarse por alto: la conductividad eléctrica entre el cable de acero y el gancho. Debe garantizarse la conductividad eléctrica entre el gancho y el cable de acero para evitar que se produzcan descargas electrostáticas cuando el gancho se acerque a la carga. En el punto de unión entre el cable de acero y el gancho se instalará un cepillo de puesta a tierra (de carbón o de cobre, con una presión de contacto ≥ 15 N), y la sección del conductor de puesta a tierra no será inferior a 4 mm². Las poleas metálicas del juego de poleas también deben integrarse en el sistema de equipotencial, conectándolas al bastidor del carro mediante un cable flexible BVR de 6 mm² en la zona del cojinete de la polea. A ambos lados de los componentes aislantes, como los amortiguadores de goma y los acoplamientos elásticos, se instalará un cable de conexión BVR de 10 mm².
Distribución eléctrica TN-S y protección contra sobretensiones con SPD
El sistema de distribución de baja tensión de la grúa debe adoptar el sistema TN-S (trifásico de cinco hilos), es decir, el neutro de trabajo N y la toma de tierra de protección PE deben tener un tendido totalmente independiente desde el punto neutro del transformador, y el cable PE debe tener una toma de tierra adicional en el armario de entrada de la grúa. La ventaja fundamental del sistema TN-S radica en que, durante el funcionamiento normal, no circula corriente por el conductor PE (la corriente del conductor N no pasa por el conductor PE), y las carcasas de todos los equipos están conectadas directamente al dispositivo de puesta a tierra a través del conductor PE; de producirse una ruptura de aislamiento, la corriente de fallo pasa por PE → punto de puesta a tierra, formando un circuito de cortocircuito que activa el disyuntor o fusible de nivel superior, cortando así el circuito defectuoso. La sección mínima del conductor PE se rige por los requisitos de la norma GB 50054: cuando la sección del conductor de fase S ≤ 16 mm², PE = S; 16 mm²< S ≤35mm²时PE=16mm²，S>Cuando es de 35 mm², PE = S/2.
Los protectores contra sobretensiones (SPD) se instalan en el armario de distribución de entrada de la grúa y en los puntos de entrada de alimentación de los equipos clave. En el interruptor principal del armario de distribución de entrada se instala un SPD de nivel I (forma de onda de 10/350 μs, corriente de impacto Iimp ≥ 25 kA), destinado a descargar la enorme energía de sobretensión generada por los rayos directos. En las entradas de alimentación de los equipos clave (PLC, variadores de frecuencia, codificadores y sensores) se instalan SPD de nivel II (forma de onda de 8/20 μs, corriente de descarga nominal In ≥ 20 kA), que reducen aún más la tensión residual hasta el nivel que los equipos pueden soportar (<1,5 kV). La longitud del cableado del SPD no debe superar los 0,5 m y debe seguir el principio de conexión en estrella "L/N → SPD → PE"; además, en la entrada del SPD debe instalarse un dispositivo de protección contra sobrecorriente (disyuntor o fusible, cuya corriente nominal no supere el valor máximo de protección de reserva del SPD).
Las líneas de señal también deben protegerse con SPD: las señales de entrada analógicas del PLC (4-20 mA), las señales de impulsos del codificador, los buses de comunicación (PROFINET, RS485) y los cables de señal de los sensores deben equiparse con SPD de señal en ambos extremos. Los SPD de señal deben tener una corriente de descarga nominal In ≥ 5 kA, un tiempo de respuesta ≤ 1 ns y una pérdida de inserción ≤ 0,5 dB. En el cable de salida del variador de frecuencia también es necesario instalar una reactancia de salida y un filtro dv/dt, para suprimir que los picos de tensión generados por la onda PWM del variador se acoplen al aislamiento del motor y al sistema de puesta a tierra. Todos los SPD deben contar con una ventana indicadora de estado (verde = normal, rojo = fallo); se debe comprobar el estado de la indicación una vez al año, antes de la temporada de tormentas.
Inspección, mantenimiento y revisiones durante la temporada de tormentas eléctricas
La inspección y el mantenimiento del sistema de puesta a tierra contra rayos se llevan a cabo con periodicidad anual. Antes de la temporada de tormentas eléctricas de cada año (marzo-abril) se realiza una inspección exhaustiva, que incluye: medición de la resistencia de puesta a tierra (método de tres electrodos, valor estándar ≤ 4 Ω), comprobación de la continuidad eléctrica de los conductores de bajada (resistencia total ≤ 1 Ω), inspección visual de los conductores de puente (presencia de corrosión, holgura o rotura de hilos) y comprobación del par de apriete de los pernos de las regletas de ecualización de potencial (par de apriete de los pernos M8 ≥ 20 N·m, M10 ≥ 35 N·m). Los resultados de la inspección se registrarán y archivarán, y se creará un expediente de estado del sistema de protección contra rayos. Si la resistencia de puesta a tierra no cumple los requisitos durante dos años consecutivos, será necesario actualizar el dispositivo de puesta a tierra.
En las inspecciones rutinarias hay que prestar especial atención a tres puntos propensos a fallos. En primer lugar, la unión entre los cables de puente y la estructura de acero: los pernos tienden a aflojarse en entornos con vibraciones, por lo que deben reapretarse al menos una vez al año y recubrirse con adhesivo fijador de roscas (Loctite 243, resistencia media). En segundo lugar, los puntos de conexión a tierra de la línea de contacto deslizante: la carcasa de la línea de contacto deslizante vibra continuamente durante el funcionamiento, por lo que los pernos de conexión a tierra pueden romperse por fatiga. En tercer lugar, la conexión de ecopotencial de la cabina del conductor: dado que la cabina cuenta con una estructura de suspensión flexible, el movimiento de esta puede provocar el desgaste del aislamiento de los cables. En las inspecciones mensuales del equipo, se debe incluir una comprobación visual de las líneas de puesta a tierra para detectar defectos visibles, como cables rotos, oxidación de los empalmes o daños en el aislamiento.
La gestión de la vida útil de los SPD es igualmente importante. Las pruebas de puesta a tierra y de aislamiento que se realizan durante la puesta en marcha in situ de los sistemas eléctricos garantizan el funcionamiento fiable de los sistemas de protección contra rayos; puede consultarse la serie de artículos al respecto.Puesta en marcha in situ del sistema eléctrico de las grúas: de principiante a expertoMétodos de comprobación del aislamiento. Los varistores y los tubos de descarga de gas integrados en el SPD se deterioran gradualmente tras soportar de forma continuada impactos de sobretensión; su vida útil prevista suele ser de entre 5 y 8 años (o deben sustituirse tras soportar un total de 20 impactos nominales). Si la ventana indicadora de estado del SPD se ilumina en rojo, sustitúyalo inmediatamente; en el caso de los SPD sin ventana indicadora, compruebe la corriente de fuga con un comprobador de SPD cada año antes de la temporada de tormentas eléctricas (sustitúyalos si la corriente de fuga del varistor supera 1 mA o si se produce un cortocircuito). Al sustituir un SPD, es imprescindible desconectar la alimentación eléctrica; queda estrictamente prohibido realizar la operación con el equipo bajo tensión. Los sistemas de protección contra rayos de Krued Heavy Industry se entregan con repuestos de SPD (cada equipo incluye un repuesto de SPD de clase I y otro de clase II) y un formulario de registro de pruebas; el usuario solo tiene que completar el registro trimestralmente según lo indicado en el formulario.
Preguntas frecuentes
Pregunta: ¿Cuál es el valor de la resistencia de puesta a tierra para la protección contra rayos de una grúa?
Respuesta: Según la norma GB 50057-2010, la resistencia de puesta a tierra para la protección contra rayos de las grúas exteriores no debe ser superior a 4 Ω. En zonas de alta resistividad del suelo, donde la resistividad supere los 500 Ω·m, este valor puede ampliarse hasta 10 Ω, pero es imprescindible aplicar simultáneamente medidas de conexión equipotencial. La medición se realizará con un medidor de resistencia de puesta a tierra de tres polos (como el Fluke 1625), y se llevará a cabo una vez al año antes de la temporada de tormentas. Si no se cumple el requisito durante dos años consecutivos, deberá actualizarse el sistema de puesta a tierra.
Pregunta: ¿Es necesario instalar un pararrayos para proteger una grúa contra los rayos?
Respuesta: Sí. Según la norma GB 50057, las grúas pertenecen a la segunda categoría de edificios con protección contra rayos, por lo que es obligatorio instalar un pararrayos en su punto más alto. El pararrayos debe ser de barra redonda de acero inoxidable (diámetro ≥ 12 mm) o de tubo de acero galvanizado (DN25), sobresalir ≥ 1 m por encima del punto más alto de la grúa y estar soldado de forma fiable a la estructura de acero. Cuando el espesor de la chapa metálica del techo de la cabina del operador sea ≥ 4 mm, esta también podrá utilizarse directamente como pararrayos. Cuando la grúa no esté en funcionamiento, la estructura de acero del propio cuerpo de la grúa podrá actuar en su conjunto como pararrayos.
Pregunta: ¿Por qué se recomienda el sistema TN-S para la distribución eléctrica de las grúas puente?
Respuesta: En el sistema TN-S (trifásico de cinco hilos), los cables PE y N se tendan por separado; el cable PE no lleva corriente durante el funcionamiento normal, y las carcasas de todos los equipos se conectan directamente al dispositivo de puesta a tierra a través del cable PE. En caso de ruptura del aislamiento, la corriente de fallo forma un circuito de cortocircuito a través del cable PE, lo que activa la desconexión rápida del disyuntor. En comparación con el sistema TN-C (trifásico de cuatro hilos), el sistema TN-S evita el riesgo de que las carcasas de los equipos se electrifiquen en caso de rotura del cable PEN, por lo que es el sistema de puesta a tierra preferido en entornos con altos requisitos de seguridad, como las grúas.
Pregunta: ¿Cada cuánto tiempo hay que cambiar un protector contra sobretensiones SPD?
Respuesta: El SPD debe sustituirse al cabo de una vida útil de entre 5 y 8 años, o tras haber soportado un total de 20 descargas nominales. Si el SPD con ventana indicadora de estado muestra una luz roja, debe sustituirse inmediatamente (no debe seguir utilizándose). En el caso de los SPD sin ventana indicadora, se debe comprobar la corriente de fuga con un comprobador antes de cada temporada de tormentas eléctricas; se deben sustituir si la corriente de fuga del varistor supera 1 mA o si se produce un cortocircuito. La sustitución debe realizarse con la alimentación desconectada; queda estrictamente prohibido realizarla con el equipo bajo tensión. Para los terminales de alimentación de los variadores de frecuencia y los PLC, se recomienda dar prioridad a los modelos de SPD que incorporen contactos de alarma de señalización remota, que pueden conectarse a un sistema de monitorización remota.
