Guia Calidad 6-5-1 Puesta a Tierra - Construccion

Guía de Calidad de la Energía Eléctrica

Puesta a tierra y Compatibilidad

Electromagnética (EMC)Sistemas de puesta a tierra -

Aspectos básicos de su construcción

Pu

esta a tierra y EM

C

6.5.1

Puesta a tierra y CompatibilidadElectromagnética (EMC)

Sistemas de puesta a tierra - Aspectos básicos de su construcción

Henryk Markiewicz & Antoni KlajnWroclaw University of Technology

Julio 2004

Esta Guía ha sido publicada como parte de la Iniciativa Leonardo para la Calidad de laEnergía Eléctrica (LPQI), un programa europeo de formación y educación respaldado por

la Comisión Europea (dentro del Programa Leonardo da Vinci) y la International Copper Association. Paramás información sobre LPQI visite www.lpqi.org.

Centro Español de Información del Cobre (CEDIC)CEDIC es una asociación privada sin fines de lucro que integra la práctica totalidadde las empresas fundidoras-refinadoras y semitransformadoras de cobre y de sus

aleaciones en España. Su objetivo es promover el uso correcto y eficaz del cobre y sus aleaciones en losdistintos subsectores de aplicación, mediante la compilación, producción y difusión de información.

European Copper Institute (ECI)El European Copper Institute (ECI) es un proyecto conjunto formado por ICA(International Copper Association) y la industria europea fabricante. Por mediode sus socios, ECI actúa en nombre de los principales productores mundiales

de cobre y fabricantes europeos para promover la utilización del cobre en Europa. Fundado en Enero de1996, ECI está respaldado por una red de once Centros de Promoción del Cobre en Alemania, Benelux,Escandinavia, España, Francia, Grecia, Hungría, Italia, Polonia, Reino Unido y Rusia.

Limitación de ResponsabilidadEl contenido de este proyecto no refleja necesariamente la posición de la Comunidad Europea, y tampocoimplica ninguna responsabilidad por parte de la Comunidad Europea.

El European Copper Institute, la Wroclaw University of Technology, la Copper Development AssociationUK y el Centro Español de Información del Cobre (CEDIC) rechazan cualquier responsabilidad porcualquier daño directo, indirecto, consecuencial o incidental que pueda resultar del uso de la información,o de la incapacidad de usar la información o los datos contenidos en esta publicación.

Copyright© European Copper Institute, Wroclaw University of Technology y Copper DevelopmentAssociation UK.

Su reproducción está autorizada siempre que el material sea íntegro y se reconozca la fuente.

La LPQI es promovida en España por los miembros nacionales asociados al programa:

Bovis Lend Lease, S.A. ETSII-UPM Fluke Ibérica, S.L.

®

MGE UPS SYSTEMSESPAÑA, S.A.

Prysmian Cables ySistemas

Universidad de Cantabria

Universidad Carlos IIIde Madrid

Sistemas de puesta a tierra – Aspectos básicos de su construcción

Introducción

La información básica sobre las propiedades de las puestas a tierra se ha expuesto en la sección 6.3.1 -“Sistemas de puesta a tierra – Fundamentos de cálculo y diseño”. Los puntos principales que se consideranaquí son:

� Resistencia de la puesta a tierra para diversas configuraciones de los electrodos de puesta a tierra.

� Materiales empleados en la construcción de los electrodos de puesta a tierra.

� Corrosión de los electrodos de puesta a tierra.

En la sección 6.3.1 se han dado las definiciones básicas y las formulas para el cálculo de la resistencia depuesta a tierra y la distribución de potencial para un electrodo de puesta a tierra hemisférico ideal. Métodossimilares permiten la formulación correspondiente para otras configuraciones de electrodos de puesta atierra. Sin embargo, todas estas fórmulas se han obtenido bajo la premisa falsa de que el terreno tiene unaestructura homogénea y su extensión es ilimitada. Por otro lado, la resistividad del suelo, ρ, varía con sucontenido de humedad y por tanto con las estaciones del año. Debido a esto, el valor de la resistencia deconexión a tierra calculado con las formulas que aquí se dan no debe considerarse como exacto. Por otraparte, en la práctica, no se requiere un alto grado de precisión en el cálculo o medición de la resistencia delas puestas a tierra. Este parámetro sólo tiene una influencia indirecta sobre el funcionamiento de la red ylos dispositivos eléctricos, así como en la protección contra las descargas eléctricas. En la normativa actualy en las prescripciones de la mayoría de los países, no se especifican los valores máximos permisibles de laconexión a tierra, sino que únicamente se recomienda que dichos valores sean los más bajos posible [1].Por lo tanto, los valores de la resistencia puesta a tierra, calculados con las formulas que se dan a conti-nuación, deben considerarse aproximados, con un error del ± 30% que, en la practica, puede considerarseaceptable. A consecuencia de esto, no hay razón para deducir unas relaciones exactas, especialmente parasistemas de puesta a tierra en malla y complejos.

Una ventaja de la utilización de fórmulas para construcciones simples de electrodos de toma de tierra es quepermite visualizar con claridad la correspondencia básica entre la resistencia de una puesta a tierra y la ge-ometría del electrodo. Por supuesto, siempre se recomienda emplear la relación más exacta de que se dis-ponga. Si embargo, en la práctica, mientras que las formulas se utilizan para el diseño del sistema de puestaa tierra, la información más exacta sobre la resistencia de toma de tierra será la medición real in situ.

El tema principal considerado en este documento es el cálculo de la resistencia del sistema de puesta a tie-rra y la distribución del potencial de superficie con diversas configuraciones de los electrodos de puesta atierra. Entre los electrodos de puesta a tierra más utilizados se cuentan:

� Electrodos de toma de tierra superficiales, que adoptan la forma de una simple pletina o alambróncolocado horizontalmente en línea recta o formando un anillo enterrado a poca profundidad.

� Picas (electrodos de barra) verticales, de una longitud suficiente para atravesar capas del terreno dediferente conductividad. Resultan particularmente útiles cuando las capas superficiales del terrenopresentan una conductividad deficiente en comparación con las capas más profundas, o dondeexista una limitación importante del área superficial disponible para la instalación del electrodo depuesta a tierra

� Electrodos mallados, normalmente constituidos por una rejilla colocada horizontalmente a pocaprofundidad bajo la superficie del suelo

� Cable con función de electrodo de puesta a tierra – se trata de un cable cuya cubierta metálica des-cubierta, protección o blindaje metálico, proporcionan una resistencia de puesta a tierra similar ala de los electrodos superficiales tipo pletina.

� Electrodos de puesta a tierra en la cimentación – son piezas metálicas conductoras embebidas enhormigón, que ofrecen una gran superficie de contacto con tierra.

Puesta a tierra y Compatibilidad Electromagnética (EMC)

1

Funciones de los sistemas de puesta a tierra y requisitos fundamentales

La función de un sistema de puesta a tierra es la de proporcionar:

� Una puesta a tierra de protección.

� Una puesta a tierra funcional en los sistemas de alimentación eléctrica.

� Una protección contra las descargas atmosféricas.

El sistema de puesta a tierra de protección proporciona una interconexión o unión eléctrica equipotencialde todas las partes metálicas simultáneamente accesibles (piezas conductoras al descubierto y externas)con las que puede entrar en contacto una persona o animal. En circunstancias normales, en ausencia deaverías, estas partes no están en tensión, pero en caso de fallo o avería pueden presentar un potencial pe-ligroso al fluir a su través una corriente de defecto. La función de un sistema de puesta a tierra es la pro-tección de la vida contra las descargas eléctricas, y su requisito fundamental es que el potencial de toma detierra, VE, en caso de que exista una corriente de cortocircuito, IE, no supere la tensión de contacto permi-sible, VF:

VE ≤ VF (1)

Por lo tanto, el valor máximo permitido de la resistencia de toma de tierra será:

R= VF (2)IE

donde IE es la corriente monofásica de cortocircuito bajo las condiciones más desfavorables.

En instalaciones industriales, así como en subestaciones eléctricas, los sistemas de puesta a tierra de bajay alta tensión suelen ser comunes, debido a que la superficie de terreno disponible es limitada. En instala-ciones con esquema de puesta a tierra aislada (IT), se deberá instalar la toma de tierra de protección comoun sistema común con el sistema de toma de tierra de protección de alta tensión, independientemente deltipo de punto neutro de operación (es decir, aislado o compensado).

La puesta a tierra funcional está relacionada con la necesidad de que ciertas partes del sistema eléctricoestén conectadas al sistema de puesta a tierra para asegurar su correcto funcionamiento. Un ejemplo típi-co es la conexión a tierra del punto neutro de un transformador.

La puesta a tierra de protección contra descargas atmosféricas conduce a tierra las corrientes origina-das por los rayos. Estas corrientes pueden alcanzar valores máximos muy elevados, ip, y generar valoresmuy altos de la tensión en los electrodos de puesta a tierra, VE, que se pueden calcular con la fórmula si-guiente:

VE ≈ ( Ldip )

2

+ (ipRp )2

(3)dt

donde:

L es la inductancia del electrodo de toma de tierra y de los conductores del pararrayosRp es la resistencia a impulsos tipo rayo del electrodo de toma de tierra.

Dependiendo de la corriente de la descarga del rayo y de las propiedades del sistema de puesta a tie-rra, el potencial VE puede alcanzar valores muy elevados, de hasta algunos cientos o incluso miles dekV. Debido a que estos valores son mucho mayores que los de la tensión de servicio, los rayos produ-cen con frecuencia en la red descargas disruptivas o sobretensiones inducidas. Por lo tanto la protec-ción total de las instalaciones contra los rayos requiere disponer de un sistema de pararrayos y de dis-ruptores de arco.

2


Resistencia y distribución de potencial superficial de lasconstrucciones de electrodos de conexión a tierra típicos

Los electrodos superficiales simples de puesta atierra son barras, tiras o tubos metálicos colocadoshorizontalmente bajo la superficie del suelo a unadeterminada profundidad, t, como se muestra en laFigura 1. Normalmente la longitud de estos ele-mentos, l, es mucho mayor que t. Con estas premi-sas, la distribución del potencial superficial de tie-rra del electrodo de puesta a tierra, en la direccióndel eje x perpendicular a la longitud l, se describemediante la fórmula siguiente:

Vx =ρIE ln

l 2

+ 4t 2+4x

2+l

(4)2πl l

2+ 4t

2+4x

2-l

donde:

Vx = potencial superficial de tierra [V]VE = potencial del electrodo de toma de tierra

[V] a la corriente de defecto de puesta a tie-rra IE [A]

ρ = resistividad del terreno [Wm]l = longitud del electrodo de toma de tierra [m]

El resto de los símbolos se explican en la Figura 1.

El valor relativo del potencial superficial de tierra,Vx

*, viene dado por la expresión:

Vx* = Vx (4a)VE

En la Figura 1 se representa la distribución del po-tencial superficial de tierra según las formulas (4 y4a) para valores particulares de las dimensiones delelectrodo de puesta a tierra.

La resistencia de puesta a tierra de un simple tuboenterrado en el suelo puede calcularse con la fór-mula siguiente:

R = VE =

ρ ln

l 2

(5)IE 2πl td

Las puestas a tierra constituidas por electrodos horizontales están normalmente constituidas por unabarra de sección rectangular, generalmente de una anchura de 30-40 mm (b) y de un grosor de 4-5 mm (c).En este caso el diámetro efectivo equivalente de puede calcularse mediante la expresión:

de = 2b

(6)π

valor que se llevará a la fórmula (5). En algunas publicaciones se sugiere que se suponga de = b/2.


3

Figura 1 - Distribución de potencial superficial de tierra perpendicular al tubo horizontal

Figura 2 - Esquema de un electrodo de toma de tierra simple en anillo, según la ecuación (8)

Electrodo de toma de tierra conlongitud l = 10 m y diámetro

d = 0,02 msituado a una profundidad

t = 0,7 m

Los valores de la resistencia de diversas configuraciones sencillas de electrodos de puesta a tierra coloca-dos horizontalmente pueden calcularse utilizando la siguiente fórmula:

R = ρ

ln Βl

2

(7)2πlΣ tde

donde B es un factor que depende de la construcción del electrodo (dado en la Tabla 1) y lΣ es la suma de lalongitud de todos los elementos del electrodo.

La resistencia de un electrodo de puesta a tierra en forma de anillo con un diámetro D, construido con unatira de un grosor c (Figura 2), situado a una profundidad habitual bajo la superficie del terrero t = 1 m, pue-de calcularse mediante la fórmula siguiente [4]:

R = ρ

k (8)2π 2 D

donde k es el factor que se muestra en la Figura 3 (todas las dimensiones como en la ecuación (4)).

Las picas o electrodos verticales son barras metálicas o tubos largos clavados verticalmente en el terreno deforma que alcancen capas profundas del suelo. Como se menciona en la Sección 6.3.1, la resistividad del te-rreno depende considerablemente de la profundidad alcanzada debido al mayor contenido de humedaddel terreno presente en las capas más profundas. Las picas hacen contacto con las capas más profundasdonde el contenido de humedad es probablemente mayor y la resistividad menor, por lo que son especial-mente útiles cuando se requiera un electrodo instalado en un área de superficie limitada. Por lo tanto, los

4


Electrodo de puesta a tierra Factor Bde la fórmula (7)Nombre Proyección horizontal

Línea 1

Perfil cuadrado de dos brazos 1,46

Tres brazos, simétrico 2,38

Cuatro brazos, simétrico 8,45

Seis brazos, simétrico 192

Dos brazos, paralelo

Cuadrado 5,53

Rectángulo con varias

relaciones l1/l2(1.5; 2; 3; 4)

1.5 5,81

2 6,42

3 8,17

4 10,4

Tabla 1 - Valores del Factor B (7) para varias formas geométricas de electrodos de superficie

l 2

4a2

electrodos verticales se utilizarán especialmente en áreas degran densidad de construcción, o donde la superficie estecubierta con asfalto u hormigón.

Las picas verticales se suelen utilizar combinadas con loselectrodos superficiales con el fin de reducir al mínimo laresistencia total de la puesta a tierra.

Un inconveniente importante que presenta la instalaciónde una pica vertical única es la desfavorable distribución delpotencial en la superficie del terreno, que puede calcularsecon la fórmula que sigue, asumiendo que la corriente de de-fecto a tierra, IE, está distribuida uniformemente a lo largode toda la longitud del electrodo:

Vx =ρIE ln

x 2

+ l 2+l

(9)4πl x

2+ l

2–l

donde:

x = distancia desde el electrodo de toma de tierral = longitud del electrodo

Las demás dimensiones como en (4).

En la Figura 4 se presenta un ejemplo de la distribución relativa del potencial de la superficie del terreno,Vx

* = f(x), para ciertas dimensiones de la pica. La comparación de las curvas características de las Figuras1 y 4 muestra que los gradientes de potencial en la superficie del terreno son considerablemente superio-res para una pica vertical y las tensiones de paso y contacto más desfavorables. El valor aproximado de laresistencia de una pica vertical es:

R = VE =

ρ ln

4l 2

(10)IE 4πl r 2

donde r es el radio de la pica.


Figura 3 - diagrama del factor k = f(D/a)útil para la ecuación (8)

Longitud

Resi

stenc

ia

Figura 5 - Resistencia de tierra (resistencia de disipación) de una pica de longitud l

y diámetro 0,02 m en un terreno homogéneo de resistividad ρ [2]

Figura 4 - Distribución del potencial en lasuperficie del terreno: Vx* = f (x) , alrededor de una

pica vertical de puesta a tierra,l de una longitud l = 3 m y un diámetro d = 0,04 m

5

La figura 5 muestra la resistencia en función de la longitud de la pica en terrenos de distinta resistividad.

En el caso de n picas verticales (Figura 6) instaladas en línea a una distancia uniforme a de una a otra, la re-sistencia de tierra efectiva será [4,8]:

1=( Σ 1 )k (10a)

R R i

donde R1, R2, R3...Rn son las resistencias depuesta a tierra calculadas independientementepara cada pica por separado, asumiendo que nose ven afectadas por la presencia de las otras pi-cas y k es el denominado coeficiente de “ocupa-ción” o de “utilización”, y k ≥ 1

El valor de k es mayor que 1 debido a la influen-cia mutua de los campos eléctricos producidospor las barras adyacentes. En efecto, la simetríadel flujo de corriente de cada pica individual sedeforma y la densidad de corriente en el suelo cambia. En algunas publicaciones [8] se dan valores exactosdel coeficiente k para diversas configuraciones de los electrodos de barra paralelos. En una configuraciónsencilla como la que se muestra en la Figura 6, se puede asumir [4] que los valores de k son:

para a ≥ 2l, k ≈ 1.25 y para a ≥ 4l, k ≈ 1

Los electrodos mallados se utilizan principalmente en sistemas de puesta a tierra en grandes superficies,por ejemplo en subestaciones transformadoras. La rejilla de todo el electrodo se construye normalmentede modo que sea acorde a las dimensiones de la instalación y asegure una distribución de potencial super-ficial del terreno favorable y aproximadamente uniforme. La resistencia de tierra de los electros de malla-dos puede calcularse mediante la siguiente ecuación simplificada:

R = ρ

+ρ

(11)4re lΣ

donde re es el radio equivalente.

Para áreas cuadradas, o aproximadamente cuadradas, el radio equivalente es el correspondiente a una su-perficie circular igual a la superficie real.

Para áreas rectangulares el radio equivalente es igual a la suma de los lados exteriores dividida por π, Si loselectrodos forman un rectángulo muy alargado (Figura 7, b); lΣ = suma de la longitud de los lados de todaslas mallas de la rejilla.

Los electrodos de toma tierra en la cimentación son piezas metálicas conductoras empotradas en elhormigón de los cimientos del edificio. El hormigón empotrado directamente en el terreno tiene uncontenido natural de humedad y puede considerarse material conductor, con una conductividad si-milar a la del terreno. Debido a la gran superficie que presenta este tipo de electrodo, pueden conse-guirse unos valores de resistencia de tierra bajos. Por otro lado, el hormigón protege las partes metáli-cas contra la corrosión, por lo que los elementos del electrodo de hierro empotrados en el hormigónno necesitan ninguna protección adicional contra la corrosión. En la actualidad los electrodos de to-ma de tierra en la cimentación se recomiendan como una solución muy práctica para la puesta a tie-rra de los edificios [6,7].

En la práctica existen dos tipos de configuraciones básicas, cuando se utilizan como electrodos de puestaa tierra la parte enterrada de la cimentación de los edificios:

� En cimientos de hormigón sin armadura (Figura 8).

� En cimientos de hormigón armado (Figura 9).

6


Figura 6 - electrodos de barra instalados paralelosentre si. R1 - R4 son las resistencias de cada electrodo,

a - distancias entre electrodos y l - longitud de cada electrodo

i=1

n

En ambos casos los electrodos de puesta a tierra pueden estár constituidos por:

� Pletinas de acero de sección rectangular no inferior a 30 mm x 3,5 mm, o

� Barras de acero de sección circular con un diámetro no inferior a 10 mm.

Los elementos de acero pueden ser galvanizados, es decir, recubiertos con una capa de zinc, aunque estono es necesario si el espesor de la capa de hormigón que cubre el electrodo es mayor de 50 mm [6]; ya queel hormigón proporciona suficiente protección contra la corrosión, como se muestra en la Figura 8.

En una cimentación sin armadura en el hormigón (Figura 8) el electrodo sigue normalmente el contornode los cimientos del edificio, es decir, esta situado debajo de los muros principales. En los edificios con unacimentación muy extensa, el electrodo normalmente adopta la forma de bucles que cubren partes de losperfiles de la cimentación y están conectados entre si.

En una cimentación con armadura de hierro en el hormigón, el electrodo de puesta a tierra se sitúa encima dela capa más baja del refuerzo de mallazo (Figura 9), asegurando así la adecuada protección del electrodocontra la corrosión. El electrodo debeestar sujeto al mallazo con tramos decable a intervalos de no más de 2m alo largo de toda la longitud del elec-trodo. No es preciso efectuar una co-nexión eléctrica concienzuda en cadapunto porque la conexión eléctricaprincipal se produce a través del hor-migón. Si el cimiento está constituidopor paneles separados conectadosentre si por juntas de dilatación, loselectrodos de tierra de cada panel de-ben estar conectados galvánicamen-te unos con otros. Estas conexionesdeben ser flexibles y estar situadas demodo que sea accesibles para realizarmediciones y operaciones de mante-nimiento [6].

La resistencia de puesta a tierra de loscimientos se puede calcular utilizan-do la siguiente ecuación simplificada [2]:

Figura 8 - Ilustración de la colocación del electrodo de puesta a tierra en una cimentación sin armadura en el hormigón

Segmento terminal del electrodo detoma de tierraAislamiento

contra humedad

Muro

Cimiento

Electrodode toma de

tierra

Suelo

Cimentación bajo suelo

Subcorteza

TierraPuntal

Drenaje

min

. 1.5

m

a = min. 5 cm

a

a

Tierra


7

Figura 7 - Ejemplos de electrodos de toma de tierra mallados que ilustran elmétodo de cálculo del radio equivalente re de la ecuación (11) para dos formas deelectrodo de toma de tierra: casi similar a un cuadrado (a) y rectángulo alargado (b)

R = 0,2 ρ

(12)V

donde:

R está en ΩV es el volumen del cimiento en m3.

El conductor de tierra del electrodo depuesta a tierra en una cimentación de-be tener una longitud mínima de 150cm por encima del nivel del suelo(Figuras 8 y 9) y debe estar situado tancerca como sea posible del borne prin-cipal de tierra de la instalación del edi-ficio. La conexión del electrodo depuesta a tierra de la cimentación con laprotección contra los rayos debe estarsituada fuera del edificio.

En la actualidad existen programasinformáticos que permiten el cálcu-lo exacto de los parámetros de variasconfiguraciones combinadas de elec-trodos de puesta a tierra, incluyendoestructuras del terreno con capascomplejas. Sin embargo son de uso limitado ya que la estructura del terreno, su resistividad y sus cambios alo largo del año no se conocen en la práctica. El cálculo exacto se puede realizar únicamente para una deter-minada situación, y será notablemente distinto en cada época del año. En cualquier caso, en estos cálculos nose requiere una elevada precisión. En la practica, una precisión de ± 30% es suficientemente satisfactoria. Enconsecuencia, el valor obtenido mediante las formulas sencillas que aquí se han dado es generalmente satis-factorio, Naturalmente, aunque el cálculo es fundamental para el diseño, la eficiencia del sistema sólo se po-drá verificar mediante la medición del valor de la resistencia de puesta a tierra después de la construcción.

Ejemplos de cálculos

En todos los ejemplos se ha supuesto que el terreno tiene una estructura homogénea, con resistividad ρ = 100 Ωm.

8


Ejemplo A)

La resistencia de un electrodo simple, de las dimensiones que se indican, enterrado en posición hori-zontal a 1 m de profundidad:

Anchura b = 40 mmGrosor c = 5 mmLongitud l = 5 m

puede calcularse utilizando las ecuaciones (6) y (7) y la Tabla 1. El diámetro equivalente de (6) se calcula comosigue:

de = 2b = 2x 0,04 m = 0,025m (El Factor B tomado de la Tabla 1 es igual a 1)π π

La resistencia del electrodo de toma de tierra es:

R = ρ

lnΒl

2

=100Ωm

ln 1x 5

2 m

2

≈22Ω2πl

Σtde 2 x π x 5 lmx 0.025m

Figura 9 - Ilustración de la colocación de un electrodo de tomade tierra en una cimentación con refuerzo en el hormigón

Suelo

Cimiento

Subcorteza

Tierra

Drenaje

Tierra

Refuerzo de hormigón

Tramo de cable

Segmento terminal del electrodode toma de tierra

Aislamientocontra humedad

Muro

min

. 1.5

m

3


Ejemplo B)

Un electrodo constituido por dos barras de 5 m, dispuestas como una construcción simétrica de cuatrobrazos (Tabla 1), tiene los siguientes parámetros:

de = 0.025 ml = 2.5 mB = 8.45.

La resistencia del electrodo de toma de tierra es:

R = ρ

lnΒl

2

=100Ωm

ln 8.45x 2.5

2 m

2

≈12.2Ω2πl

Σtde 2 x π x10m lmx 0.025m

Ejemplo C)

Un electrodo circular instalado en posición horizontal (Figura 2), a una profundidad de 1 m, con undiámetro D = 5 m, hecho con una pletina de las mismas dimensiones que en el ejemplo A. El factork se puede estimar con el gráfico de la Figura 3 a partir del valor D/a = 5m/0,0025 m = 2000, donde a = c/2, de la Figura 2. La resistencia del electrodo de toma de tierra se puede calcular utilizando laecuación (8):

R = ρ

k =100Ω m

x 19.2 ≈ 19.4Ω2π 2D 2 x π 2 x 5m

Ejemplo D)

Una pica instalada en posición vertical, con un diámetro de 20 mm y una longitud de 5 m, tiene una re-sistencia calculada por medio dela ecuación (10):

R= ρ

ln 4l 2

= 100Ωm

ln 4x52m2

≈21.9Ω4π l r 2 4x π x 5m 0,012m2

Valor similar al que puede obtenerse a partir del diagrama de la Figura 5.

Ejemplo E)

Un electrodo de toma de tierra en forma de rejilla rectangular instalado horizontalmente con las dimensiones que se indican en la figura 10.

La resistencia se calcula mediante la formula (11) y el radio equivalente, re se calcula como se muestra enla Figura 7:

re =S

=4m x 4.5m

≈2.4mπ π

La suma de la longitud de los lados de una malla es:

(1.5m + 1m)* 2= 5m.

La suma de la longitud de todas las mallas dentro de la rejilla

lΣ = 5m x 12meshes= 72m

Por tanto, la resistencia del electrodo de toma de Tierra sera:

R= ρ

+ ρ

= 100Ωm

+ 100Ωm

≈11.8Ω4re l∑ 4 x 2.4m 72m

Figura 10 - Esbozo del diagrama deun electrodo de puesta a tierra

mallado (ejemplo E)

9

Aspectos constructivos de los electrodos de puesta a tierra

Los sistemas de puesta a tierra deben construirse de tal manera y con unos materiales que permitan un fun-cionamiento correcto a lo largo de su expectativa de vida útil y a un coste razonable. Las características re-queridas serán las siguientes:

� Baja resistencia de puesta a tierra y una distribución de potencial de superficie favorable.

� Adecuada capacidad conductora.

� Larga durabilidad.

La resistencia de puesta a tierra no debe superar los valores requeridos por las normas o reglamentos enlas condiciones climatológicas más desfavorables (periodos secos prologados, fuertes heladas, etc.). Si noexistieran prescripciones adecuadas, la resistencia de puesta a tierra debería ser tan baja como sea posible.

La distribución de potencial de tierra superficial debe ser tal que las tensiones de contacto y de paso no su-peren los valores permitidos. La distribución del potencial más favorable en la superficie del terreno se con-sigue mediante la utilización de electrodos de puesta a tierra mallados situados en posición horizontal. Aveces será necesario añadir elementos horizontales adicionales para alcanzar una distribución del poten-cial adecuada en la superficie del terreno. Estos aspectos se tratan en la Sección 6.3.1 “Sistemas de puestaa tierra – Fundamentos de Cálculo y Diseño”.

La capacidad conductora es el mayor valor de la corriente de defecto que puede ser conducido a tierra através del electrodo de puesta a tierra sin que se produzca un calentamiento excesivo de sus elementos nidel terreno circundante. Con intensidades y valores de la densidad de corriente muy elevados, el agua delterreno y en la zona de interfaz electrodo-terreno se evapora, lo cual provoca que el suelo se seque y ad-quiera una resistividad elevada.

La durabilidad de un electrodo de puesta a tierra es el tiempo que transcurre desde su construcción hastael momento en que, debido a la corrosión de sus partes metálicas, pierde la continuidad eléctrica. La dura-bilidad de un electrodo de puesta a tierra debe superar la expectativa de vida de la instalación. Para la ma-yoría de las instalaciones de energía eléctrica la esperanza de vida puede superar los 25 años y, para las lí-neas de transporte de energía eléctrica, 35-50 años. El sistema de puesta a tierra debe incluirse en los pro-gramas de reparación y mantenimiento.

La durabilidad de un sistema de puesta a tierra depende principalmente de su capacidad para soportar lacorrosión. Los electrodos de puesta a tierra, por estar directamente en contacto con el terreno o con agua,operan en ambientes corrosivos. Hay tres factores principales que determinan el grado de corrosión de losobjetos metálicos en el terreno:

� Corrientes continuas (vagabundas) en tierra.

� Contaminación química del terreno.

� Fenómenos electroquímicos (galvánicos) entre diversos metales situados en el terreno.

La corrosión debida a la presencia corrientes continuas se presenta principalmente en las proximidades de redesde corriente continua (por ejemplo, líneas eléctricas ferroviarias que transportan corriente continua). Existen nor-mas y directrices al respecto (por ejemplo DIN VDE 0150) que tratan de los requisitos para estos casos.

La corrosión debida a la presencia de substancias químicas en el terreno generalmente no suele ser de granimportancia y afecta únicamente a los sistemas eléctricos de fábricas de productos químicos o a los que seencuentran cerca del mar. En estos casos, los electrodos de puesta a tierra deben estar constituidos por me-tales resistentes a la corrosión química específica prevista. A fin de reducir al mínimo la corrosión químicase recomienda, en algunos casos, medir el pH del terreno. Para suelos alcalinos (pH>7) se recomienda utilizarelectrodos de cobre, y para suelos ácidos son preferibles electrodos de aluminio, zinc o acero galvanizado.

La corrosión galvánica la produce una corriente continua, que fluye a través de un circuito, generada porla diferencia de potencial electroquímico que aparece entre dos piezas de distinto metal situadas en unterreno húmedo, que en este caso actúa como electrolito. De los metales, que habitualmente se utilizan

10


como electrodos, el cobre tiene el potencial más bajo. Otros metales presentan un potencial positivo conrespecto al del cobre (Tabla 2). Esta pequeña corriente que fluye permanentemente ocasiona que los ionesmetálicos procedentes del ánodo emigren hacia el cátodo. Por lo tanto, el ánodo pierde partículas metáli-cas que se acumulan en el cátodo. Teniendo esto en cuenta esta circunstancia es posible prever combina-ciones de metales favorables. Por ejemplo, el acero cubierto de cobre es una solución favorable porque lacantidad de cobre permanece constante. Un ejemplo opuesto es el acero cubierto de zinc, ya que el zinc ac-túa siempre de ánodo y su cantidad disminuye continuamente. Obsérvese que el potencial electroquímicodel acero empotrado en el hormigón es muy próximo al del cobre. Por lo tanto las construcciones de aceroen los cimientos de los edificios actúan como cátodos respecto a otros objetos de acero o de zinc situadosen el terreno (no sólo los electrodos de toma de tierra, sino también, por ejemplo, las tuberías de conduc-ción de agua). Esto significa que grandes cimentaciones pueden ocasionar una importante corrosión de es-tos objetos metálicos debida a la acción electroquímica.

Los materiales utilizados más frecuentemente para la construcción de electrodos son:

� Acero (por ejemplo, en sistemas de conexión a tierra en cimentación).

� Acero galvanizado.

� Acero cubierto de cobre.

� Acero hiperaleado.

� Cobre y aleaciones de cobre.

La resistencia mecánica y las condiciones de corrosión imponen las dimensiones mínimas de los electro-dos de toma de tierra que se dan en la Tabla 3 [5].

Debido a la resistencia mecánica y a la estabilidad frente a la corrosión, las secciones transversales mínimasde los electrodos de toma de tierra son [5]:

� Cobre 16 mm2

� Aluminio 35 mm2

� Acero 50 mm2


11

Metal Potencial electroquímico respecto a un electrodo de cobre [en V]

Zinc o acero cubierto por zinc 0.9 – 1.0

Acero 0.4 – 0.7

Acero en hormigón 0 – 0.3

Tabla 2 - Valores del potencial electroquímico de diversos metales respecto a un electrodo de cobre [2]

Conclusiones

Al diseñar un sistema de puesta a tierra deben considerarse los siguientes aspectos:

� Función.

� Propiedades eléctricas.

� Material.

12


Material Tipo de electrodo

Tamaño mínimo.

Núcleo Revestimiento/recubrimiento

Diámetro

(mm)

Sección

(mm2)

Espesor

(mm)

Valores

mínimos

(mm)

Valores

medios

(mm)

Acero

Galvanizado en caliente

Pletina 2) 90 3 63 70

Perfil (incl. Placas) 90 3 63 70

Tubo 25 2 47 55

Pica 16 63 70

Cable redondo para

electrodo horizontal10 50

Con revestimiento de

plomo1)

Cable redondo para

electrodo horizontal8 1.000

Con revestimiento de cobre

extruidoPica 15 2.000

Con revestimiento de cobre

electrolíticoPica 14.2 90 100

Cobre

Desnudo

Pletina 50 2

Cable redondo para

electrodo horizontal25 3)

Cable trenzado 1.8 4) 25

Tubo 20 2

Estañado Cable trenzado 1.8 4) 25 1 5

Galvanizado Pletina 50 2 20 40

Con revestimiento de

plomo1)

Cable trenzado 1.8 4) 25 1.000

Cable redondo 25 1.000

1) No adecuado para empotrar directamente en hormigón

2) Tira laminada o cortada con aristas redondeadas

3) En condiciones extremas en que la experiencia indique que el riesgo de corrosión y de daños mecánicos es

extremadamente bajo, puede utilizarse 16 mm2

4) Por cada hilo individual del cable trenzado

Tabla 3 - Tipo y dimensiones mínimas de los materiales de electrodos de toma de tierra que aseguranresistencia mecánica y resistencia a la corrosión [5]

Las propiedades eléctricas más importantes de un sistema de puesta a tierra son:

� Resistencia de puesta a tierra.

� Distribución de la tensión en la superficie del terreno.

� Capacidad conductora para la evacuación de la corriente de defecto.

La distribución de potencial de tierra superficial más favorable corresponde a los electrodos de puesta a tie-rra horizontales, especialmente los mallados, en los que el potencial superficial se puede controlar de unaforma relativamente sencilla. En el caso de electrodos verticales (picas) la distribución de potencial es lamás desfavorable y en este caso se presentan los valores de tensión de paso y contacto más elevados. Porotra parte, utilizando electrodos verticales es posible conseguir fácilmente valores de resistencia de tomade tierra bajos y estables, que no dependen significativamente de las estaciones del año. Los electrodos ver-ticales se utilizan también en combinación con los horizontales para obtener valores más bajos de la resis-tencia de puesta a tierra.

La selección del material de un electrodo es normalmente un compromiso entre el coste y la durabilidadde dicho electrodo de puesta a tierra. La corrosión del material y la agresividad de la corrosión son los prin-cipales factores que limitan el tiempo de vida de un sistema de puesta a tierra.

Referencias y Bibliografía

[1] IEC 364-5-54, Electrical installations of buildings (UNE 20-460-5-54 - Puesta a tierra y conductores de protección)

[2] Rudolph W, Winter O, EMV nach VDE 0100, VDE-Schriftenreihe 66, VDE-Verlag GmbH. Berlin, Offenbach, 1995

[3] ABB Switchgear Manual, 10th edition, Düsseldorf, Cornelsen Verlag 1999

[4] Batz H et al, Elektroenergieanlagen, VEB Verlag Technik Berlin, 1989

[5] HD 637 S1 (Harmonisation Document) “Power installations exceeding 1 kV a.c.”

[6] RWE Energie Bau-Handbuch, 12th Edition, Editor: Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendung, HEA-e.V

[7] DIN 18014, Fundamenterder, Berlin, Beuth Verlag

[8] Wolkowinski K, Uziemienia urzaden elektroenergetycznych (Earthing systems of electrical power devices), in Polish,Warsaw, WNT, 1967


13

14

Notas

Notas

15

16

Notas

Socios Fundadores* y de Referencia

Consejo EditorialDavid Chapman (Chief Editor) CDA UK [email protected]

Prof Angelo Baggini Università di Bergamo [email protected]

Dr Araceli Hernández Bayo ETSII - Universidad Politécnica de Madrid [email protected]

Prof Ronnie Belmans UIE [email protected]

Dr Franco Bua ECD [email protected]

Jean-Francois Christin MGE UPS Systems [email protected]

Prof Anibal de Almeida ISR - Universidade de Coimbra [email protected]

Hans De Keulenaer ECI [email protected]

Prof Jan Desmet Hogeschool West-Vlaanderen [email protected]

Dr ir Marcel Didden Laborelec [email protected]

Dr Johan Driesen KU Leuven [email protected]

Stefan Fassbinder DKI [email protected]

Prof Zbigniew Hanzelka Akademia Gorniczo-Hutnicza [email protected]

Stephanie Horton LEM Instruments [email protected]

Dr Antoni Klajn Wroclaw University of Technology [email protected]

Prof Wolfgang Langguth HTW [email protected]

Jonathan Manson Gorham & Partners Ltd [email protected]

Prof Henryk Markiewicz Wroclaw University of Technology [email protected]

Carlo Masetti CEI [email protected]

Mark McGranaghan EPRI PEAC Corporation [email protected]

Dr Jovica Milanovic UMIST [email protected]

Dr Miles Redfern University of Bath [email protected]

Dr ir Tom Sels KU Leuven [email protected]

Prof Dr-Ing Zbigniew Styczynski Universität Magdeburg [email protected]

Andreas Sumper CITCEA [email protected]

Roman Targosz PCPC [email protected]

Hans van den Brink Fluke Europe [email protected]

European Copper Institute* (ECI)

www.eurocopper.org

ETSII - Universidad Politécnica de Madrid

www.etsii.upm.es

LEM Instruments

www.lem.com

Akademia Gorniczo-Hutnicza (AGH)

www.agh.edu.pl

Fluke Europe

www.fluke.com

MGE UPS Systems

www.mgeups.com

Centre d'Innovació Tecnològica en ConvertidorsEstàtics i Accionaments (CITCEA)

www-citcea.upc.es

Hochschule für Technik und Wirtschaft* (HTW)

www.htw-saarland.de

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

www.uni-magdeburg.de

Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI)

www.ceiuni.it

Hogeschool West-VlaanderenDepartement PIH

www.pih.be

Polish Copper Promotion Centre* (PCPC)

www.miedz.org.pl

Copper Benelux*

www.copperbenelux.org

International Union for Electricity Applications (UIE)

www.uie.org

Università di Bergamo*www.unibg.it

Copper Development Association* (CDA UK)

www.cda.org.uk

ISR - Universidade de Coimbra

www.isr.uc.pt

University of Bath

www.bath.ac.uk

Deutsches Kupferinstitut* (DKI)

www.kupferinstitut.de

Istituto Italiano del Rame* (IIR)

www.iir.it

University of Manchester Institute of Science andTechnology (UMIST)

www.umist.ac.uk

Engineering Consulting & Design* (ECD)

www.ecd.it

Katholieke Universiteit Leuven*(KU Leuven)

www.kuleuven.ac.be

Wroclaw University of Technology*

www.pwr.wroc.pl

EPRI PEAC Corporation

www.epri-peac.com

Laborelec

www.laborelec.com

European Copper Institute168 Avenue de TervuerenB-1150 BrusselsBelgium

Tel: 00 32 2 777 70 70Fax: 00 32 2 777 70 79Email: [email protected]: www.eurocopper.org

Dr Antoni Klajn

Wroclaw University of TechnologyWybrzeze Wyspianskiego 2750-370 WroclawPoland

Tel: 00 48 71 3203 424Fax: 00 48 71 3203 596Email: [email protected]: www.pwr.wroc.pl

Wroclaw University of TechnologyWybrzeze Wyspianskiego 2750-370 WroclawPoland

Tel: 00 48 71 3203 920Fax: 00 48 71 3203 596Email: [email protected]: www.pwr.wroc.pl

Prof Henryk Markiewicz

Princesa, 7928008 MadridTel: 91 544 84 51Fax: 91 544 88 84e-mail: [email protected]: www.infocobre.org.es

Guia Calidad 6-5-1 Puesta a Tierra - Construccion

Documents

Transcript of Guia Calidad 6-5-1 Puesta a Tierra - Construccion