INTRODUCCION

Hablando ampliamente, “La Resistencia de Tierra” es la resistencia del suelo al paso de la corriente eléctrica. Realmente, la tierra es un conductor relativamente malo en comparación con conductores normales como el alambre de cobre. Pero si el área para un camino de corriente es lo suficientemente grande, la resistencia puede ser bastante baja y la tierra puede convertirse en un buen “conductor”.

La medición de la resistencia de la tierra se hace de dos formas para dos importantes aplicaciones en campo:

1. Determinar la efectividad de puestas a tierra y las conexiones que se emplean en los sistemas eléctricos para proteger al personal y al equipo.

2. Determinar buenas tierras (baja resistencia) u obtener valores de resistencia que pueden dar información específica sobre lo que se encuentra debajo de la superficie de ella.

Los puntos principales que se consideran aquí 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 este documento se procederá a proveer definiciones básicas y las fórmulas para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra y la distribución de potencial para un electrodo de puesta a tierra hemisférico ideal. Métodos similares permiten la formulación correspondiente para otras configuraciones de electrodos de puesta a tierra. Sin embargo, todas estas fórmulas se han obtenido bajo la premisa falsa de que el terreno tiene una estructura homogénea y su extensión es ilimitada. Por otro lado, la resistividad del suelo, p, varia con su contenido de humedad y por tanto con las estaciones del año. Debido a esto, el valor de la resistencia de conexión a tierra calculado con las fórmulas que aquí se dan no debe considerarse como exacto. Por otra parte, en la práctica, no se requiere un alto grado de precisión en el cálculo o medición de la resistencia de las puestas a tierra. Este parámetro solo tiene una influencia indirecta sobre el funcionamiento de la red y los dispositivos eléctricos, así como en la protección contra las descargas eléctricas. En la normativa actual y en las prescripciones de la mayoría de los países, no se especifican los valores máximos permisibles de la conexión a tierra, sino que únicamente se recomienda que dichos valores sean los más bajos posible, Por lo tanto, los valores de la resistencia puesta a tierra, calculados con las fórmulas que se dan a continuación, deben considerarse aproximados, con un error del ± 30% que, en la práctica, puede considerarse aceptable. A consecuencia de esto, no hay razón para deducir unas relaciones exactas, especialmente para sistemas 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 que permite visualizar con claridad la correspondencia básica entre la resistencia de una puesta a tierra y la geometría del electrodo. Por supuesto, siempre se recomienda emplear la relación más exacta de que se disponga. Sin embargo, en la

práctica, mientras que las formulas se utilizan para el diseño del sistema de puesta a tierra, la información más exacta sobre la resistencia de toma de tierra será la medición real.

1.1. OBJETIVOS GENERALES

Estudiar los parámetros que caracterizan las propiedades eléctricas de un Sistema de Puesta a tierra.

Proveer un trayecto de baja resistencia para disipar de manera segura cualquier carga o potencial no deseado.

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Estudiar las diferentes configuraciones y geometría de electrodos para mejorar la resistencia de una toma de tierra.

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

2. RESISTIVIDAD DE LA TIERRA

El término “resistividad de tierra” expresado en centímetros por ohm (abreviado cm-ohm), es una variable básica que afecta la resistencia a tierra de un sistema de electrodos. Pero se encontró que el valor real de la resistividad de la tierra no necesita medirse para verificar la resistencia de tierra del electrodo. Ahora consideraremos otros campos donde se mide el valor de la resistividad; también algunos de los factores que afectan el área de interés en la prueba de tierra.

Las mediciones de resistividad de tierra pueden emplearse convenientemente para prospecto geofísico. Las mediciones también pueden emplearse para determinar la profundidad de la roca. Las mediciones de la resistividad de la tierra también son útiles para encontrar la mejor ubicación y profundidad para electrodos de baja resistencia. Tales estudios se realizan, cuando se van a construir unidades eléctricas nuevas (una estación generadora, subestación, torre de transmisión, u oficina central telefónica.

Finalmente, se puede utilizar la resistividad de la tierra para indicar el grado de corrosión que se espera en tuberías subterráneas de agua, petróleo, gas, etc... En general, la corrosión puede aumentar en sitios donde los valores de resistividad están bajos. Este tipo de información es una guía buena para instalar la protección catódica.

2.1. EL TIPO DE SUELO AFECTA LA RESISTIVIDAD

Ya se trate de un suelo mayormente arcilloso o muy arenoso, la resistividad de la tierra puede cambiar mucho.

No es fácil definir exactamente a un suelo dado; la arcilla puede cubrir a una amplia variedad de suelos de tal manera que no podemos decir que cualquier suelo dado tiene una resistividad de tantos ohms – cm acompañando las Tablas 1 y 2 desde dos libros de referencia diferentes se muestra el amplio rango en valores. Nótese también la variedad de valores para los mismos tipos generales de suelo.

Figura 1. Los Electrodos hincados a mayor profundidad en la tierra, bajan la resistencia

La longitud de la varilla es uno de los factores que determina la resistencia a tierra en un sistema de puesta a tierra. Las varillas más largas, mayores de tres metros, tiene una esfera de influencia más grande y como resultado disipara más corriente que las varillas / jabalinas más cortas. Esto resultará en una resistencia a tierra menor en un suelo de resistividad uniforma. Sin embargo, a medida que la longitud de la varilla aumenta, la esfera de influencia alcanzará a una meseta infinita donde la resistencia a tierra no cambiará más.

Una vez que la meseta infinita es alcanzada a una longitud L, extender la longitud de la barra más allá de la longitud tendrá un efecto pequeño en la disminución de resistencia del sistema de puesta a tierra.

TABLA RESISTIVIDAD DE DIFERENTES SUELOS

SUELORESISTIVIDAD OHM - CM

PROMEDIO MIN MAX

Rellenos de cenizas, partículas de madera quemadas, desperdicios de agua salada

2,37 590 7,000

Arcilla, rocas de arcilla endurecida. Plantas gomosas, suelos ricos compuestos

especialmente de arcilla arena y materia orgánica

4,06 340 16,300

Los mismos pero con proporciones variables de arena y grava

15,8 1,020 135,000

Grava, arena, piedras con un poco de arcilla o suelos ricos compuestos especialmente de

arcilla arena y materia orgánica94 59,000 458,000

Tabla 1

SUELORESISTIVIDAD OHM - CM

(RANGO)

Suelos de superficie, suelos ricos compuestos especialmente de arcilla, arena y materia

orgánica, etc. 100-5,000

Arcilla 200-10,000

Arena y grava 5,000-100,000

Caliza superficial 10,000-1,000,000

Caliza 500-400,000

Rocas de arcilla endurecida 500-10,000

Arenisca 2,000-200,000

Granitos, basaltos, etc. 100

Partículas de rocas formadas de capas de cuarzo, mica, etc.

5,000-50,000

Rocas duras dispuestas en capas delgadas, etc. 1,000-10,000

Tabla 2

2.2. LA RESISTIVIDAD DECRECE CON LA HUMEDAD Y LAS SALES DISUELTAS

En el terreno, la conducción de corriente es principalmente electrolítica. Por tanto, la cantidad de humedad y el contenido de sales del terreno afectan radicalmente su resistividad. La cantidad de agua en el terreno varía, por supuesto, con el clima, época del año, la naturaleza del subsuelo y la profundidad del manto freático permanente. La Tabla IV muestra los efectos típicos del agua en el terreno; Note que cuando están secos los dos tipos de terreno son buenos aislantes (resistividades mayores de 1000 x 106 ohm*cm).

Con un contenido de humedad de 15%, sin embargo, note el decrecimiento drástico en resistividad (por un factor de alrededor de 100,000).

CONTENIDO DE HUMEDAD %POR PESO

RESISTIVIDAD. OHM-CM

TERRENO SUPERFICIAL

ARCILLA ARENOSA

0.0 1.000 x 106 1.000 x 106

2.5 250,000 150,000.0

5.0 165.000 43.000

10 53,000 22,000

15 21,000 13.000

20 12,000 10.000

30 10.000 8,000

Tabla 3. Efecto del Contenido de Humedad en la Resistividad del Terreno*

Realmente, el agua pura tiene una resistividad infinitamente alta. Las sales presentes en forma natural en el terreno, disueltas en agua, bajan la resistividad. Solamente una pequeña cantidad de una sal puede reducir la resistividad del terreno de manera significativa (vea la Tabla). Este efecto puede ser útil para proporcionar un buen electrodo de baja resistencia, en lugar de un sistema de electrodos elaborado y caro.

% DE SAL AGREGADA POR PESO DE

HUMEDAD

RESISTIVIDAD. OHM-CM

0.0 10.700

0.1 1.800

1.0 460

5.0 190

10 130

20 100

Para arcilla arenosa–contenido de humedad, 15% por peso; temperatura, 17°C (63°F)

Tabla 4. Efecto del Contenido de Sal en la Resistividad del Terreno*

2.3. EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

No se ha recopilado mucha información sobre los efectos de la temperatura. Dos hechos conducen a la conclusión lógica de que un incremento en la temperatura disminuirá la resistividad: (1) el agua presente en el terreno principalmente determina la resistividad, y (2) un incremento en la temperatura disminuye notoriamente la resistividad del agua. Los resultados que se muestran en la Tabla 5 confirman estos hechos. Note que cuando se congela el agua en el terreno, la resistividad salta en forma apreciable; el hielo tiene una resistividad alta. Note también que la resistividad continúa aumentando conforme baja la temperatura por debajo del punto de congelación. Se podría tener un valor realmente alto en el Polo Norte.

En la tabla, note que una caída de temperatura de 54 grados (de 68°F a 14°F) ocasiona un aumento de 50 veces en resistividad.

TEMPERATURA RESISTIVIDAD OHM-CM

C F

20 68 7,2

10 50 9.900

0 32 (agua) 13.800

0 32 (hielo) 30.000

-5 23 79.000

-15 14 330,000

Para arcilla arenosa, humedad 15.2%

Tabla 5. Efecto de la Temperatura en la Resistividad del Terreno

3. MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE TIERRA PARA SISTEMAS ELÉCTRICOS

La simple y algo equivocada idea de una buena “tierra” para un sistema eléctrico es un electrodo enterrado en la tierra, con un cable conductor conectado este al circuito eléctrico. Esto puede ser o no un camino adecuado de baja resistencia para la corriente eléctrica para proteger al personal y al equipo.

Un electrodo de tierra práctico que proporcione una resistencia tierra no siempre puede obtenerse fácilmente. Pero de la experiencia obtenida de otros, se puede aprender cómo establecer un sistema confiable y como verificar el valor de la resistencia con una precisión razonable. Como se verá, la resistividad de la tierra tiene un papel importante en la resistencia del electrodo, así como la profundidad, tamaño y la forma del electrodo.

Los métodos y principios de la prueba de resistencia a tierra que se cubren en esta sección se aplican a instalaciones de pararrayos así como a otros sistemas que requieran conexiones a tierra de baja resistencia. Tales pruebas se realizan en Estaciones de Generación de Potencia, Sistemas de Distribución Eléctrica, Plantas Industriales y Sistemas de Telecomunicación.

3.1. FACTORES QUE PUEDEN MODIFICAR SU“MÍNIMA” RESISTENCIA A TIERRA

Analizaremos posteriormente que valor de resistencia de tierra se considera lo suficientemente bajo. Se verá que no existe una regla general útil en todos los casos. Primero, sin embargo, considere tres factores que pueden modificar los requerimientos del electrodo de tierra de un año a otro:

1. Una planta eléctrica u otra instalación eléctrica, pueden aumentar en tamaño. También, las plantas nuevas continúan siendo construidas cada vez más grandes. Tales cambios crean necesidades diferentes en el electrodo de tierra, lo que era una resistencia adecuadamente baja de tierra, puede convertirse en un “estándar” obsoleto.

2. A medida que más tubería y ductos no metálicos se instalan bajo tierra, tales instalaciones se vuelven cada vez menos confiables y efectivas con conexiones a tierra de baja resistencia.

3. En muchos lugares, el nivel freático desciende gradualmente.

Aproximadamente en un año, los sistemas de electrodos a tierra que eran efectivos, pueden terminar en tierra seca de alta resistencia.

Estos factores enfatizan la importancia de un programa periódico y continuo de prueba de resistencia de tierra. No por lo tanto es suficiente verificar la resistencia de la tierra solo en el momento de la introducción.

3.2. VALORES ACEPTABLES RECOMENDADOS

El sistema de puesta a tierra más elaborada no puede llevar a cabo satisfactoriamente a menos que la conexión del sistema a la tierra es adecuada para la instalación en particular. De ello se desprende, por tanto, que la conexión a tierra es una de las partes más importantes del sistema de puesta a tierra entera. También es la parte más difícil de diseñar.

La conexión a la tierra o el sistema de electrodos, debe tener una resistencia lo suficientemente baja como para ayudar a permitir un funcionamiento rápido de los dispositivos de protección de circuitos en el caso de una falla a tierra, para proporcionar la seguridad necesaria de choque para el personal que pueda estar en la vecindad de marcos de equipos, armarios, conductores o los electrodos de sí mismos y para limitar las sobretensiones transitorias.

ANSI / NFPA 70-1990 (NEC) [l], 16 por ejemplo, se estipula que la tierra o en un marco de metal estructural de un edificio no podrá ser utilizado como conductor de tierra exclusiva[Secciones 250-51, 250-58 (a ), 250-91 (c)], y que un conductor de puesta a tierra del sistema se ejecuta a cada servicio [Secciones 250-23,250-27 (e) (f), 250-153 (d) l

El desarrollo de un electrodo de tierra de baja resistencia es de suma importancia para cumplir con estos objetivos, sobre todo para los alimentadores del sistema de servicios públicos, donde la ruta de retorno es la culpa a través de la tierra, y en segundo lugar como una copia de seguridad de la base de los equipos, que en ocasiones puede ser abierto el circuito sin querer. Lógicamente, menor será la resistencia del sistema de puesta a tierra, la forma más adecuada se cumplen estos requisitos. Sin embargo, las instalaciones con niveles más bajos disponibles de la corriente de falla a tierra no requieren de tan bajo valor de resistencia de puesta a tierra al igual que los sistemas más grandes con mayores niveles de corriente a tierra. Resistencias del sistema de tierra de menos de 1 ohmio se puede obtener por el uso de una serie de electrodos individuales conectados entre sí. Una resistencia tan baja sólo puede ser requerida para grandes subestaciones, líneas de transmisión, o de las estaciones generadoras. Resistencias en el rango de 1-5 ohmio se encuentran generalmente adecuadas para las subestaciones de plantas industriales y edificios y grandes instalaciones comerciales.

El valor 25 ohmio se indica en el NEC [1] es aplicable a la resistencia máxima de un solo electrodo. Si una resistencia superior se obtiene de un solo electrodo, es necesario un segundo electrodo (en paralelo). Esto no debe interpretarse en el sentido de que 25 ohmios es un nivel satisfactorio para un sistema de puesta a tierra.

Por el contrario, el Código Eléctrico Canadiense (CEC), CSA C22.1-1990 [2] utiliza un criterio de aumento máximo de estaciones en tierra de 5.000 voltios (o menos) en las máximas condiciones de falla a tierra y tensiones de paso / toque que se muestran los valores estipulados en el CEC (básicamente, estos valores son los mismos valores que figuran en IEEE Std 80-1986 [3]. Antes de 1978, la CCA utiliza un criterio de resistencia a la estación de tierra para ser inferior a 1 ohmio, que resultó ser particularmente onerosa para el fomento de pequeñas subestaciones de tipo industrial. El método establecido en la CCA se basa en sólidos fundamentos, el criterio es la seguridad basada. Sin embargo, sus deficiencias son evidentes en la interfaz del

contratista-inspector, donde los cálculos se requieren en lugar de (relativamente) simples chequeos.

“Recomendamos que las tierras con un solo electrodo se prueben cuando se instalen, y en forma periódica posteriormente.”

Las letras anteriores son resaltadas debido a su importancia. La resistencia a tierra puede variar con los cambios en el clima y la temperatura. Tales cambios pueden ser considerables. Un electrodo de tierra que fue bueno (de baja resistencia) cuando se instaló, puede dejar de serlo; para asegurarse, debe revisarlo periódicamente.

No podemos decirle cual debe ser el valor máximo de resistencia a tierra.

Para sistemas específicos, en lugares definidos, las especificaciones se ajustan frecuentemente. Algunos requieren 5 ohms como máximo; otros no aceptan más de 3 ohms. Los valores aceptables recomendados.

4. NATURALEZA DE UN ELECTRODO A TIERRA

4.1. RESISTENCIA A LA TIERRA

1. La resistencia de puesta a tierra de un electrodo se compone de:Resistencia del electrodo (metal)

2. Resistencia de contacto entre el electrodo y el suelo3. La resistencia del suelo, desde la superficie del electrodo hacia fuera, en la

geometría creada por el flujo de corriente hacia el exterior desde el electrodo a tierra infinita

Resistencia del electrodo

Varillas, tubos, masas de metal, estructuras y otros dispositivos son empleados comúnmente para conexiones a tierra.

Estas normalmente son de tamaño o sección transversal suficiente que su resistencia es una parte despreciable de la resistencia total.

Resistencia de contacto del electrodo a tierra

Es mucho menor de lo que se puede pensar. Si el electrodo está libre de pintura o grasa, y la tierra esta compacta firmemente, la Oficina de Estándares ha demostrado que la resistencia de contacto es despreciable. La oxidación en un electrodo de hierro tiene poco o ningún efecto; él óxido de hierro esta prontamente impregnado con agua y tiene menor resistencia que la mayoría de los suelos.

Pero si un tubo de hierro se ha oxidado lo suficiente, la parte debajo de la rajadura no es tan efectiva como una parte del electrodo de tierra.

Resistencia de la tierra circundante

Un electrodo hincado en la tierra de resistividad uniforme radia corriente en todas direcciones. Piense en el electrodo como si estuviera rodeado por capas de tierra, todas de igual espesor (vea Figura 2.)

Figura 2. Componentes de la resistencia de tierra en un electrodo de tierra.

La capa de tierra más cercana al electrodo tiene naturalmente el área de superficie más pequeña y por lo tanto ofrece la mayor resistencia. La siguiente capa de tierra es algo más grande en área y ofrece menor resistencia. Y así sucesivamente. Por último, se alcanzara una distancia del electrodo donde la inclusión de capa de tierra adicional no aumente significativamente a la resistencia de la tierra que rodea el electrodo.

La figura muestra una varilla de tierra de 10 pies (3 m) por 5 / 8 pulgadas (16 mm) en el suelo. El camino de la corriente de tierra hacia el exterior de la superficie de la barra se compone de sucesivas capas cilíndricas y hemisféricas. A medida que aumentan sus áreas, sus resistencias series individuales disminuyen inversamente con el área. La Tabla 6 muestra el resultado de llevar a cabo este cálculo basado en la distancia de 25 pies (7,62 m), que representan el 100% de la resistencia de tierra total.

Distancia desde la superficie del electrodo (r) Porcentaje aproximado de la resistencia total

pies Metros

0.1 0.03 25

0.2 0.06 38

0.3 0.09 46

0.5 015 52

1.0 0.3 68

5.0 1.5 86

10.0 3.0 94

15.0 4.6 97

20.0 6.1 99

25.0 7.6 100

(100.0)* 30.5 (104)

(1000.0)* 305.0 (117)

Tabla 6. La resistencia del electrodo en un radio “r” de 10 pies (3m) de largo por 5 / 8 pulgadas (16 mm) de diámetro

* Estas cifras muestran que por las razones más prácticas que diferentes valores de resistencia a tierra se producen a distancias dentro de 25 pies del electrodo, es decir, a 1000 pies de la resistencia es sólo un 11% mayor que el de 25 pies

La tabla muestra que en los primeros 0,1 pies (0,03 m) de distancia de la superficie de la barra, el 25% de la resistencia total se ha producido. En los primeros 0,5pies (0,15 m) y 1.0 pies (0.3 m), el 52% y el 68%, respectivamente, de la resistencia total.

Por lo tanto, se demuestra que los primeros centímetros de distancia de la barra son los más importantes, en cuanto a la reducción de la resistencia del electrodo se refiere. En lugares de alta resistividad, la disminución de la resistividad del terreno en esta área es necesaria y se la realizara por el tratamiento químico o el uso de hormigón, útil en la mejora de la eficacia de un sistema de puesta a tierra.

La adición de más electrodos, con el fin de reducir la resistencia, no afecta a la resistencia de manera considerable si está cerca del primer electrodo. Múltiples electrodos espaciados no tienen una resistencia inversamente proporcional a su número. La no reciprocidad es causada por la resistencia común mutuo en el que la corriente de cada eleva la tensión de la otra. Dado que la tensión es mayor para el mismo flujo de corriente, la resistencia se incrementa por la resistencia mutua.

Generalmente la resistencia de la tierra circundante será la más grande de los tres componentes que forman la resistencia de una conexión a tierra. Los distintos factores que pueden afectar ese valor se analizan en Resistividad de tierra. La resistividad de la tierra depende del material del suelo, el contenido de humedad, y la temperatura.

Está lejos de ser constante de un valor predecible variando generalmente desde 500 hasta 50,000 ohm-cm^3

4.2. ELECTRODOS

Para la construcción de la corriente eléctrica en tierra se precisa de cierto grado de humedad y de portadores eléctricos. Los electrodos están rodeados de sustancias higroscópicas que garantizan la retención de un cierto grado de humedad.

El electrodo es una masa metálica, permanentemente en buen contacto con el terreno, para facilitar el paso de las corrientes de defecto.

Naturaleza: Los electrodos pueden ser artificiales o naturales. Se entiende por electrodos artificiales los establecidos con el exclusivo objeto de obtener la puesta a tierra, y por electrodos naturales las masas metálicas que puedan existir enterradas.

Para las puestas a tierra se emplearan principalmente electrodos artificiales. No obstante los electrodos naturales que existirán en la zona de una instalación y que presenten y aseguren un buen contacto permanente con el terreno, pueden utilizarse bien solos o conjuntamente con otros electrodos artificiales. En general, se puede prescindir de éstos cuando su instalación presente serias dificultades y cuando los electrodos naturales cumplan los requisitos anteriormente señalados con sección suficiente y la resistencia de tierra que se obtenga con los mismos, presente un valor adecuado.

4.3. CONSTITUCIÓN DE LOS ELECTRODOS ARTIFICIALES

Los electrodos podrán estar constituidos por:

Electrodos simples constituidos por barras, tubos, placas, cables, pletinas u otros perfiles.

Anillos o mallas metálicas constituidas por elementos indicados anteriormente o por combinaciones de ellos.

Los electrodos serán de metales inalterables a la humedad y a la acción química del terreno, tal como el cobre, el hierro galvanizado, hierro sin galvanizar con protección catódica o fundición de hierro.

4.4. CONSTITUCIÓN DE LOS ELECTRODOS NATURALES

Los electrodos naturales puedan estar constituidos por:

Una red extensa de conducciones metálicas enterradas, siempre que la continuidad de estas conducciones quede perfectamente asegurada, y en el caso de que las conducciones pertenezcan a una distribución pública o privada, haya acuerdo con los distribuidores correspondientes. Se prohíbe utilizar como electrodos las canalizaciones de gas, de calefacción central y las conducciones de desagüe, humos o basuras.

La cubierta de plomo de los cables de una red eléctrica de baja tensión enterrada, con la condición de que la continuidad de la cubierta de plomo esté perfectamente asegurada y, en el caso de que la red pertenezca a una distribución pública, haya acuerdo con el distribuidor.

Los pilares metálicos de los edificios, si están interconectados, mediante una estructura metálica, y enterrados a cierta profundidad.

5. TIPOS DE ELECTRODOS

5.1 VARILLA COPPERWELD

Esta varilla es una de las más usadas, ya que es de bajo costo de material. Este tipo de electrodo esta hecho de acero y recubierto de una capa de cobre, la longitud y el diámetro varían según la norma utilizada. Esta varilla se debe enterrar en forma vertical y a una profundidad de por lo menos 2.4 metros, esto por norma. Según la norma aplicada este tipo de electrodo puede ir enterrado en forma horizontal, pero no es muy recomendable. La varilla copperweld no tiene mucha área de contacto, pero sí una longitud considerable, con la cual es posible un contacto con capas de tierra húmedas, con lo cual se obtiene un valor de resistencia bajo.

Figura 3. Detalle de instalación de electrodo de tierra tipo varilla Copperweld

5.2. TIPO PICA O JABALINA

Este tipo de electrodo de tierra tiene un área de contacto más grande que la varilla copperweld, por lo que no necesita mucha longitud. Este electrodo se forma por un perfil de acero galvanizado, y puede ser en forma de cruz, de ángulo recto o en T. (Figura 2.37)

Las picas o jabalinas constituyen el sistema más extendido de puestas a tierra debido a su fácil instalación.

Figura 4. Picas o Jabalina

Considerando que la introducción de estas se realiza por hincado, los valores de resistencia de puesta a tierra son obtenidos de forma inmediata, y son mejores a los del sistema de placa. No obstante, estos valores deben entenderse como exclusivamente circunstanciales, ya que por efecto de la corrosión sobre el acero, la velocidad de pérdida de la resistencia inicial es muy rápida, y más aún, cuando la calidad de los recubrimientos de cobre o zinc ha ido reduciéndose o se deterioran durante el proceso de hincado.

Así mismo, debemos recalcar que son muchas las instalaciones cuya única protección de tierra se soporta con una sola pica, careciendo por lo tanto, de los debidos niveles de protección en un corto espacio de tiempo.

− Picas de Acero: Para la mayoría de condiciones de tierra. Garantizando una esperanza de vida de más de 30 años.

− Picas de Acero Inoxidable: Bueno para uso en muchos ambientes altamente corrosivos. Diseñado para más de 40 años.

− Picas de Zinc: Las picas de Zinc constituyen una solución ideal para la protección catódica contra la corrosión de los sistemas de puesta a tierra cuando éstos están constituidos por conductores de acero galvanizado. Previenen además los pares galvánicos tan frecuentes en sistemas de puesta tierra de estructuras de acero (tanques enterrados, o bases de tanques aéreos) frente a conductores de cobre desnudo. Estas picas son usadas en refinerías y parques de tanques de almacenamiento de combustibles, gasolineras, plantas químicas, etc.

Entre las principales características tenemos buen rendimiento debido a la baja resistencia eléctrica, gran superficie de dispersión y buena intimación con el terreno ya que se presentan con saco relleno de activador-conductor en base de bentonita, fácil manipulación y fácil instalación por cualquier usuario y la posibilidad de determinar su estado de degradación sin desenterrarlas.

Figura 5. Picas de Zinc

5.3. TIPO PLACA

Las tomas a tierra mediante placas-estrella, planchas o similares, tienen un sistema de construcción parecido, basado en la abertura de un pozo o zanja de 2 a 3 m^3 y relleno mediante tierra vegetal y otros aditivos para disminuir la resistividad del terreno.

En función de los materiales empleados en su construcción y del terreno en que han sido enterrados, existen diferencias importantes en cuanto a su duración. Así, si el material elegido es hierro galvanizado, la duración de esta será inferior a si es de cobre.

Los valores de resistencia eléctrica de puesta a tierra obtenidos en estas instalaciones pueden considerarse como aceptables. Debido a la falta de compactación del terreno, estos valores tienden a mejorar un tiempo después de su instalación, manteniéndose estables durante un plazo que oscila entre 5 y 10 años. Posteriormente la placa se ve afectada por el proceso de corrosión normal a que están sometidos todos los metales enterrados y que además son acelerados por la propia función de disipación de corrientes de defecto puntuales hacia tierra.

Figura 6. Electrodo Tipo Placa

5.4. REHILETE

Este electrodo se forma de dos placas de cobre cruzadas, las cuales van soldadas. Este tipo de electrodo es bueno para terrenos donde es difícil excavar, ya que tiene mucha área de contacto.

Figura 7. Rehilete

5.5. EN ESTRELLA

Este tipo de electrodo se puede hacer con cable de cobre desnudo con ramificaciones de 60° de ángulo. Estos electrodos se utilizan en el campo, ya que por la longitud del cable se obtiene un valor de resistencia menor.

Figura 8. Electrodo Tipo Estrella

5.6. DE GRAFITO RÍGIDO

Los electrodos de grafito consiguen una disminución muy importante de la resistencia de la toma de tierra. Además, al no ser material metálico, presenta una excelente resistencia a la corrosión.

Figura 9. Electrodo De Grafito Rígido

La conformación del electrodo de grafito rígido en forma de ánodo, con un activador conductor de relleno para la mejora de la resistividad del terreno, y la necesidad de una perforación de 200 x 1500 mm de profundidad, hacen que este sistema de puesta a tierra, sea de fácil instalación.

En cuanto a los valores de resistencia de puesta a tierra en terrenos de diferentes resistividades, su comportamiento es muy similar o incluso mejor al de las placas estrella, y mucho mejor al de las varillas convencionales. Paralelamente, la evolución de estos valores con el paso del tiempo, es inmejorable dada su baja velocidad de desgaste por corrosión, y por tanto su vida útil es en principio ilimitada en comparación con los sistemas tradicionales.

El único factor que puede degradar estos electrodos, radica en la erosión por filtración de agua, y en este sentido, se ha colocado una camisa metálica protectora y aumentando su diámetro. Así, la propia naturaleza del electrodo, sus dimensiones y el activador conductor envolvente, hacen que este no necesite ningún mantenimiento (regado o mineralizado) tan frecuente en los demás sistemas.

Por todas estas características, el electrodo de grafito rígido es el ideal para puestas a tierras superficiales y profundas ya que garantizan su larga existencia y un rendimiento más que aceptable. Además aumentan el radio de disipación de la descarga y mejoran las características de retención de cierto grado de humedad.

5.7. DE PICRÓN

Los electrodos de PICRÓN han sido diseñados para sistemas de puesta a tierra de altas prestaciones, especialmente para puestas a tierra profundas, en terrenos pantanosos, con niveles freáticos altos e incluso en aguas muy agresivas (ambientes marinos o directamente en agua de mar), para instalaciones eléctricas de alta y baja tensión, pararrayos, y equipamientos informáticos o de robótica.

Figura 10. Electrodo de Picrón

Los electrodos de PICRÓN pueden considerarse el sistema de puesta a tierra de mayor garantía y estabilidad del mercado. Sus principales características son: duración ilimitada (vida >30 años), debido a su mínima degradación por corrosión, pueden utilizarse bajo forma de electrodos únicos o electrodos en cadena, para instalación en perforaciones verticales desde diámetros de 160 x

3000 mm, o bien pueden instalarse directamente depositados sobre sedimentos marinos y nulo mantenimiento, pues no requieren regados periódicos para establecer su conductividad.

5.8. DE TUBO METÁLICO

Este tipo de electrodo puede ser la tubería metálica del agua. El diámetro debe ser de mínimo 19mm, si el tubo es de acero o hierro tiene que tener una cubierta de otro metal para que lo proteja de la corrosión, la tubería debe estar enterrada por lo menos 3m.

Figura 11. Electrodo de Tubo Metálico

5.9. PROFUNDO

Existen terrenos de resistividad natural muy elevada como las rocosas y otros que están dispuestos en capas de distinta dureza y conductividad. Paralelamente cada día se exigen valores de resistencia más bajos y delimitados para atender la sensibilidad de ciertos equipos electrónicos.

Para esta toma de tierra se utiliza un electrodo profundo que se coloca a 20 metros de longitud según la necesidad de la resistencia. Estos electrodos son de acero cobreado en arqueta de registro de PVC, cable de cobre de 50 mm2 de sección, soldaduras aluminotérmicas y relleno de sales para mejorar las características del terreno.

Figura 12. Electrodo Profundo

5.10. HORIZONTAL O CONTRAPESO

El electrodo horizontal es un conductor de cobre desnudo enterrado de forma horizontal en una zanja de 50cm mínimo de profundidad, se pueden hacer varias configuraciones, pero la más utilizada es la línea recta. Su principal inconveniente es que la excavación es muy costosa cuando el terreno es rocoso.

Las estructuras metálicas y armaduras de muros y paredes se soldarán a la conducción enterrada mediante un cable conductor.

Figura 13. Electrodo Horizontal

5.11. QUÍMICO

Los electrodos químicos son aquellos electrodos a los que se les adiciona algún compuesto químico para aumentar la conductividad como la bentonita y de esta forma disminuir el valor de resistencia.

Los sistemas de toma de tierra mediante electrodos químicos o electrolíticos se basan precisamente en la aportación de iones al terreno. Consisten principalmente en un tubo hueco de cobre relleno con una mezcla de compuestos iónicos. El producto absorbe la humedad ambiental y se disemina en el terreno que rodea al electrodo, aportando iones libres y reduciendo gradualmente la resistividad del terreno.

Figura 14. Electrodos Químicos

5.12. EMPOTRADO EN CONCRETO

Este tipo de electrodo se debe encontrar en una cimentación que este enterrada y tenga una longitud de por lo menos 6m, con varillas desnudas con 13mm de diámetro mínimo.

El electrodo debe estar incrustado en concreto como mínimo 5 cm. Estos valores pueden variar dependiendo de la norma usada.

Figura 15. Electrodo en Concreto

6. MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

6.1. CONFIGURACIONES DE LOS ELECTRODOS

6.1.1. EN ANILLO

Esta configuración consiste en una espira de cable de cobre desnudo en el fondo de la excavación, bordeando exteriormente los cimientos del edificio, o bien, cuando ello no sea posible, a una profundidad 0,50m respecto de la superficie original del terreno (antes de completar el relleno). De este modo se forma un anillo de perímetro igual o superior al de la edificación, puesto en el más íntimo contacto posible con el terreno.

Estos anillos de tierra se emplean frecuentemente circundando una fábrica o un sitio de comunicaciones, para proveer un plano equipotencial alrededor de edificios y equipos. Se pueden conformar varios anillos de diferentes diámetros y enterrarlos a diferentes profundidades para hacer contacto con las diferentes capas de la tierra.

Para cada edificio se preverá un electrodo en anillo. Cuando en la misma excavación para cimientos se levantes diversos edificios es conveniente conectar entre sí los diferentes anillos empleando los mismos materiales que se hayan utilizado en su

construcción. Sin embargo, también se puede colocar un único electrodo en anillo siguiendo el perímetro exterior de la excavación.

Figura 16. Electrodos Conformados en Anillos y Mallas

6.1.2. MALLAS

La malla se hace armando una red de conductores de cobre desnudos, esta malla se puede mejorar con algunos electrodos. Esta malla es muy utilizada en las subestaciones eléctricas y centrales eléctricas, ya que reduce el riesgo de descargas.

La malla consta de una red de conductores enterrados a una profundidad que usualmente varía de 0,50 a 2,0 m, colocados paralela y perpendicularmente con un espaciamiento adecuado a la resistividad del terreno y preferentemente formando retículas cuadradas.

Figura 17. Conexión de una Malla

El cable que forma el perímetro exterior de la malla debe ser continuo de manera que encierre toda el área en que se encuentra el equipo eléctrico de la subestación o planta generadora. Con ello, se evitan altas concentraciones de corriente y gradientes de potencial en el área y terminales cercanas.

En cada cruce de conductores de la malla, éstos deben conectarse rígidamente con soldadura exotérmica entre sí y en los puntos donde se conectan los equipos que pudieran presentar falla o, en las esquinas de la malla, los conductores deben conectarse a electrodos de varilla o tubo de 2,4 m de longitud mínima, clavados verticalmente.

Los conectores empleados en la malla del sistema de tierras de una subestación deben ser de tipo de compresión o soldables, actualmente se usa suelda exotérmica.

6.1.3. PATA DE GANSO

Figura18. Pata de Ganso

Este método de construcción de toma de tierra se emplea en terrenos rocosos, o de difícil excavación. Puesta a tierra formada por conductores (cable de cobre) dispuestos en tres ramas enterradas en forma de pata de ganso de grandes dimensiones, siendo la apertura entre ramas de 45º.

6.1.4. TRIÁNGULO

Figura 19. Conexión en Triángulo

D: Conductor de Bajada de Pararrayos

B: Circuito de Tierra

P: Toma de Tierra del Pararrayos

Puesta a tierra formada por muchas piquetas verticales a una longitud total mínima de 6 metros.

Dispuestas en línea o triángulo y espaciadas entre sí por una distancia al menos igual a su longitud enterrada,

Unidas entre sí por un conductor enterrado en una zanja al menos de 50 cm. De profundidad.

6.1.5. PLACA

La puesta a tierra de placa es eficaz en terrenos rocosos y de alta resistividad, dado que ofrece una amplia superficie de contacto con el terreno. Para obtener buenos resultados, la placa debe enterrarse verticalmente, a una profundidad adecuada y garantizar una correcta compactación del terreno y las sales minerales.

Figura 20. Conexión en Placa

6.1.6. ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA EN RADIO FRECUENCIA

En el caso de torres de radiodifusión, se emplean cables en configuración de estrella para su puesta a tierra. Y, se ha encontrado más efectivo tener conectados los cables en un punto que tener múltiples anillos rodeando el sitio. Esos cables en configuración de estrella pueden ser menores a 30 m de largo si el terreno es adecuado.

Los cables dispersan la energía de las descargas muy eficientemente. Como la corriente se divide en proporciones iguales en los cables en esta configuración, entre más cables, menor corriente los circula. Y, una baja corriente es más fácil de disipar y tendrá menor impacto en la elevación del potencial de tierra del sistema.

7. COMPUESTOS QUÍMICOS

Como se ha visto es importante una buena toma de tierra para conseguir un adecuado sistema de protección, pero no siempre es posible ni técnicamente económico el conseguir un valor predeterminado de resistencia de tierra. Existen terrenos de resistividad natural muy elevada como los rocosos y otros que están dispuestos en capas de distinta dureza y conductividad. Paralelamente cada día se exigen valores de resistencia más bajos y delimitados para atender la sensibilidad de ciertos equipos electrónicos.

El relleno ideal debe compactarse fácilmente, ser no corrosivo y a la vez buen conductor eléctrico. La bentonita o chocoto, entre otros compuestos como el sulfato de magnesio o de sulfato de cobre, resinas sintéticas, silicato de aluminio, o de compuestos químicos patentados (THOR GEL, GEM, etc.) cumple con esos requisitos. En nuestro país se recomienda colocar chocoto (tierra orgánica) o arcilla tipo bentonita para reemplazar los suelos, cuya resistividad es aproximadamente de 2,5Ωm que es razonablemente conductiva dado su contenido mineral.

Aparte del relleno con alguno de los compuestos mencionados, existen otros métodos químicos. Un método se lo realiza colocando 30cm de compuestos químicos en un registro que se encuentra junto a la varilla de cobre.

Figura 21. Método de Relleno con compuestos químicos

Este método es efectivo donde hay poco espacio como en banquetas o estacionamientos.

El otro método es excavar una zanja alrededor de la varilla y llenarla con unos 20 o 40kg de los compuestos químicos, diluyendo con agua.

Figura 22. Método de Relleno con Compuestos químicos

La primera carga de compuesto químico dura unos 2 o 3 años y, las posteriores aún más, por lo que el mantenimiento es menos frecuente con el tiempo.

Existen muchos productos de diferentes fabricantes que lo que hacen es mejorar el grado de humedad del terreno utilizando sustancias químicas, aumentan la conductividad eléctrica del terreno y disminuye los valores de la resistencia del terreno, los productos de este tipo que existen en el mercado son: sales IDS, QUIBACSOL, GEM de ERITECH, etc.

8. RESISTENCIA Y DISTRIBUCIÓN DE POTENCIAL SUPERFICIAL DE LAS CONSTRUCCIONES DE ELECTRODOS DE CONEXIÓN A TIERRA TÍPICOS

Los electrodos superficiales simples de puesta a tierra son barras, tiras o tubos metálicos colocados horizontalmente bajo la superficie del suelo a una determinada profundidad, t, como se muestra en la Figura 23. Normalmente la longitud de estos elementos, L, es mucho mayor que t. Con estas premisas, la distribución del potencial superficial de tierra del electrodo de puesta a tierra, en la dirección del eje x perpendicular a la longitud L, se describe mediante la fórmula siguiente:

Ecuación 1

Vx=ρIE2πIlnI2+4t2+4x2+II2+4t2+4x2-I

Dónde:

Vx = potencial superficial de tierra [V]

VE = potencial del electrodo de toma de tierra [V] a la corriente de defecto de puesta a tierra IE [A]

p = resistividad del terreno [Wm]

I= longitud del electrodo de toma de tierra [m]

El resto de los símbolos se explican en la Figura 21.

El valor relativo del potencial superficial de tierra, V! , viene dado por la expresión: ecuación 1a

vx*=VxVEEn la Figura 23 se representa la distribución del potencial superficial de tierra según las formulas anteriores para valores particulares de las dimensiones del electrodo de puesta a tierra.

Figura 23. Distribución de potencial superficial de tierra perpendicular al tubo horizontal

La resistencia de puesta a tierra de un simple tubo enterrado en el suelo puede calcularse con la formula siguiente:

Ecuación 2

R=vEIE=ρ2πIlnI2td

Las puestas a tierra constituidas por electrodos horizontales están normalmente constituidas por una barra 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:

Ecuación 3

de=2bπValor que se llevara a la formula anterior. En algunas publicaciones se sugiere que se suponga de=b2Los valores de la resistencia de diversas configuraciones sencillas de electrodos de puesta a tierra coloca-dos horizontalmente pueden calcularse utilizando la siguiente formula:

Ecuación 4

R=ρ2πIƩlnBI2tde

Donde B es un factor que depende de la construcción del electrodo (dado en la Tabla 7) y l£ es la suma de la longitud 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 una tira de un grosor c, situado a una profundidad habitual bajo la superficie del terrero t = 1 m, puede calcularse mediante la fórmula siguiente:

Ecuación 5

R=ρ2π2DK

Figura 24. Esquema de un electrodo de toma de tierra simple en anillo, según la ecuación anterior

Donde k es el factor que se muestra en la Figura 25 (todas las dimensiones como en la ecuación)

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

Las picas o electrodos verticales son barras metálicas o tubos largos clavados verticalmente en el terreno de forma que alcancen capas profundas del suelo. La resistividad del terreno depende considerablemente de la profundidad alcanzada debido al mayor contenido de humedad del terreno presente en las capas más profundas. Las picas hacen contacto con las capas más profundas donde el contenido de humedad es probablemente mayor y la resistividad menor, por lo que son especialmente útiles cuando se requiera un electrodo instalado en un área de superficie limitada. Por lo tanto, los electrodos verticales se utilizaran especialmente en áreas de gran densidad de construcción, o donde la superficie este cubierta con asfalto u hormigón.

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

Un inconveniente importante que presenta la instalación de una pica vertical única es la desfavorable distribución del potencial en la superficie del terreno, que puede calcularse con la fórmula que sigue, asumiendo que la corriente de defecto a tierra, IE, está distribuida uniformemente a lo largo de toda la longitud del electrodo:

Ecuación 6

Vx=ρIE4πIlnx2+I2+Ix2+I2-IDónde:

x = distancia desde el electrodo de toma de tierra

L= longitud del electrodo

Las demás dimensiones como en la siguiente figura.

Figura 26 - Distribución del potencial en la Superficie del terreno: Vx* =f(x), alrededor de una pica vertical de puesta a tierra I de una longitud1 = 3my un diámetro d = 0,04 m

En la Figura 26 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 Figuras 23 y 26 muestra que los gradientes de potencial en la superficie del terreno son considerablemente superiores para una pica vertical y las tensiones de paso y contacto más desfavorables. El valor aproximado de la resistencia de una pica vertical es:

Ecuación 7

R=ρ4πIln4I2r2

Donde r es el radio de pica

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

Figura 27. Resistividad del terreno

En el caso de n picas verticales (Figura 28) instaladas en línea a una distancia uniforme a de una a otra, la resistencia de tierra efectiva será:

Ecuación 7a

1R=i=1n1Rikdonde R1, R2,---Rn son las resistencias de puesta a tierra calculadas independientemente para cada pica por separado, asumiendo que no se ven afectadas por la presencia de las otras picas y k es el denominado coeficiente de "ocupación" o de "utilización", y k es mayor a 1

El valor de k es mayor que 1 debido a la influencia mutua de los campos eléctricos producidos por las barras adyacentes. En efecto, la simetría del flujo de corriente de cada pica individual se deforma y la densidad de corriente en el suelo cambia. En algunas publicaciones se dan valores exactos del coeficiente A: para diversas configuraciones de los electrodos de barra paralelos. En una configuración sencilla como la que se muestra en la Figura siguiente, se puede asumir que los valores de k son:

para a≥2I, k≃1.25 y para a ≥4I, k≃1

Figura 28. Electrodos de barra instalados paralelos entre sí. R1 - R4 son las resistencias de cada electrodo, a = distancias entre electrodos y I =longitud de cada electrodo

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 normalmente de modo que sea acorde a las dimensiones de la instalación y asegure una distribución de potencial superficial del terreno favorable y aproximadamente uniforme. La resistencia de tierra de los electros de mallados puede calcularse mediante la siguiente ecuación simplificada:

Ecuación 8

R=ρ4re+ρ4reDonde re es el radio equivalente.

Para áreas cuadradas, o aproximadamente cuadradas, el radio equivalente es el correspondiente a una superficie 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 los electrodos forman un rectángulo muy alargado; l£ = suma de la longitud de los lados de todas las mallas de la rejilla.

Figura 29 - Ejemplos de electrodos de toma de tierra mallados que lustran el método de cálculo del radio equivalente “re” de la ecuación anterior para dos formas de electrodo

de toma de tierra: casi similar a un cuadrado (a) y rectángulo alargado (b)

Los electrodos de toma tierra en la cimentación son piezas metálicas conductoras empotradas en el hormigón de los cimientos del edificio. El hormigón empotrado directamente en el terreno tiene un contenido natural de humedad y puede considerarse material conductor, con una conductividad similar a la del terreno. Debido a la gran superficie que presenta este tipo de electrodo, pueden conseguirse unos valores de resistencia de tierra bajos. Por otro lado, el hormigón protege las partes metálicas contra la corrosión, por lo que los elementos del electrodo de hierro empotrados en el hormigón no necesitan ninguna protección adicional contra la corrosión. En la actualidad los electrodos de toma de tierra en la cimentación se recomiendan como una solución muy práctica para la puesta a tierra de los edificios.

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

En cimientos de hormigón sin armadura (Figura 30). En cimientos de hormigón armado (Figura 31).

En ambos casos los electrodos de puesta a tierra pueden estar 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 esto no es necesario si el espesor de la capa de hormigón que cubre el electrodo es mayor de 50 mm; ya que el hormigón proporciona suficiente protección contra la corrosión, como se muestra en la Figura 30.

Figura 30. Ilustración de la colocación del electrodo depuesta a tierra en una cimentación sin armadura en el hormigón

En una cimentación sin armadura en el hormigón (Figura 30) el electrodo sigue normalmente el contorno de los cimientos del edificio, es decir, está situado debajo de los muros principales. En los edificios con una cimentación muy extensa, el electrodo normalmente adopta la forma de bucles que cubren partes de los perfiles de la cimentación y están conectados entre sí.

En una cimentación con armadura de hierro en el hormigón, el electrodo de puesta a tierra se sitúa encima de la capa más baja del refuerzo de mallado (Figura 31), asegurando así la adecuada protección del electrodo contra la corrosión. EI electrodo debe estar sujeto al mallado con tramos de cable a intervalos de no más de 2m a lo largo de toda la longitud del electrodo. No es preciso efectuar una conexión eléctrica concienzuda en cada punto porque la conexión eléctrica principal se produce a través del hormigón. Si el cimiento está constituido por paneles separados conectados entre sí por juntas de dilatación, los electrodos de tierra de cada panel deben estar conectados galvánicamente unos con otros. Estas conexiones deben ser flexibles y estar situadas de modo que sea accesible para realizar mediciones y operaciones de mantenimiento.

Figura 31. Ilustración de la colocación de un electrodo de toma de tierra en una cimentación con refuerzo en el hormigón

La resistencia de puesta a tierra de los cimientos se puede calcular utilizando la siguiente ecuación simplificada:

Ecuación 9

R=0.2ρ3VDónde:

R está en Ω

V es el volumen del cimiento en m3

El conductor de tierra del electrodo de puesta a tierra en una cimentación debe tener una longitud mínima de 150 cm por encima del nivel del suelo (Figuras 8 y 9) y debe estar situado tan cerca como sea posible del borne principal de tierra de la instalación del edificio. La conexión del electrodo de puesta a tierra de la cimentación con la protección contra los rayos debe estar situada fuera del edificio.

En la actualidad existen programas informáticos que permiten el cálculo exacto de los parámetros de varias configuraciones combinadas de electrodos de puesta a tierra, incluyendo estructuras del terreno con capas complejas. Sin embargo son de uso limitado ya que la estructura del terreno, su resistividad y sus cambios a lo largo del año no se conocen en la práctica. El cálculo exacto se puede realizar únicamente para una determinada situación, y será notablemente distinto en cada época del año. En cualquier caso, en estos cálculos no se requiere una elevada precisión. En la práctica, una precisión de ± 30% es suficientemente satisfactoria. En consecuencia, el valor obtenido mediante las formulas sencillas que aquí se han dado es generalmente satisfactorio, Naturalmente, aunque el cálculo es fundamental para el diseño, la eficiencia del sistema solo se podrá verificar mediante la medición del valor de la resistencia de puesta a tierra después de la construcción.

9. EJEMPLOS DE CALCULOS

9.1. Ejemplo A

La resistencia de un electrodo simple, de las dimensiones que se indican, enterrado en position horizontal a 1 m de profundidad:

Anchura b=40 mm

Grosor c= 5 mm

Longitud I= 5 m

Puede calcularse utilizando las ecuaciones (3) y (4) y la Tabla 7. El diámetro equivalente de (3) se calcula como sigue:

de=2bπ=2×0,04π=0.025m (El Factor B tomado de la tabla 7 es igual a 1)

La resistencia del electrodo de toma de tierra es:

R=ρ2πIƩlnBI2tde=100Ωm2×π×5ln1×52m21m×0.025m≃22Ω9.2. Ejemplo B

Un electrodo constituido por dos barras de 5 m, dispuestas como una construcción simétrica de cuatro brazos (Tabla 7), tiene los siguientes parámetros:

de= 0.025 m

I= 2.5m

B=8.45.

La resistencia del electrodo de toma de tierra es:

R=ρ2πIƩlnBI2tde=100Ωm2×π×10mln8.45×2.52m21m×0.025m≃12.2Ω9.3. Ejemplo C

Un electrodo circular instalado en posición horizontal (Figura 22), a una profundidad de 1 m, con un diámetro D = 5 m, hecho con una pletina de las mismas dimensiones que en el ejemplo A. El factor k se puede estimar con el grafico de la Figura 23 a partir del valor D/a= 5m/0,0025 m = 2000, donde a = c/2, de la Figura 22. La resistencia del electrodo de toma de tierra se puede calcular utilizando la ecuación (5):

R=ρ2π2DK=100Ωm2×π2×5m19.2≃19.4 Ω9.4. Ejemplo D

Una pica instalada en posición vertical, con un diámetro de 20 mm y una longitud de 5 m, tiene una resistencia calculada por medio dela ecuación (7):

R=ρ4πIln4I2r2=100Ωm4×π×5mln4×52m20.012m2≃21.9Ω

Valor similar al que puede obtenerse a partir del diagrama de la Figura 25.

9.5. Ejemplo E

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

La resistencia se calcula mediante la fórmula (8) y el radio equivalente re se calcula como se muestra en la Figura 27:

re=Sπ=4m×4.5mπ≃2.4mLa 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

IƩ= 5m x 2meshes= 72m

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

R=ρ4re+ρ4re=100Ωm4×2.4m+100Ωm72m≃11.8Ω

Figura E - Esbozo del diagrama de un electrodo de puesta a tierra mallado

10. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE LA TOMA TIERRA SEGÚN IEEE_STD_142_1991_GREEN_BOOK

El cálculo se ha simplificado en gran medida por las fórmulas desarrolladas y se presentan en la Tabla 9. Cabe señalar que estas fórmulas son sólo aproximaciones y darle el estado de las capacidades actuales con respecto a los modelos informáticos derivados de los sistemas de la tierra y el diseño de puesta a tierra.

Múltiples electrodos en paralelo producen menor resistencia a tierra que un solo electrodo. Varias varillas se utilizan para proporcionar baja resistencia a tierra y requiere de alta capacidad de las instalaciones. Añadiendo una segunda varilla no podrían proporcionar un valor de resistencia bajo requerido, sin embargo, ofrecen una resistencia total igual a la mitad del de una sola varilla. Una regla útil es que los sistemas de puesta a tierra de 2 a 24 varillas una longitud de distancia en:

Una línea, triángulo hueco, un círculo o cuadrado proporcionar una resistencia a tierra dividida por el número de barras y se multiplica por el factor F tomados de la Tabla 8. Las consideraciones adicionales con respecto a los potenciales de paso y contacto serán tratadas por la geometría.

Numero de Varillas F

2 1,16

3 1.29

4 1.36

8 1.68

12 1.80

16 1.92

20 2.00

24 2,16

Tabla 8. Factores de multiplicación para varias varillas

La colocación de barras adicionales en la periferia de un cuadrado, un círculo, o de otra forma no reducirá la resistencia de puesta a tierra por debajo de las barras de periféricos

solos.

Tabla 9. Fórmulas para el cálculo de las resistencias a tierra

CONCLUSIONES

La resistencia de puesta a tierra y la distribución de potencial de la superficie del terreno son los parámetros principales que caracterizan las propiedades eléctricas de un Sistema de Puesta a Tierra.

Los parámetros eléctricos del sistema de puesta a tierra dependen de las propiedades del terreno y de la geometría del electrodo de puesta a tierra. Las propiedades del suelo están caracterizadas por la resistividad terreno, que cambia dentro un amplio margen desde unos pocos Ωm a varios miles de Ωm, dependiendo del tipo de terreno y de su estructura, así como de su humedad. Como resultado de esto, es difícil calcular un valor exacto de la resistencia de puesta a tierra. Todas las comunicaciones que describen la resistencia de puesta a tierra se basan en la suposición de que la tierra tiene una estructura homogénea y una resistividad constante.

En el caso ideal, el potencial de la superficie del terreno debería ser plano en el área que circunda al electrodo de tierra. Esto es importante para la protección contra las descargas eléctricas, pues determina las tensiones de paso y contacto. Las picas tienen una distribución del potencial superficial muy desfavorable, mientras que los electrodos mallados presentan una distribución mucho más plana.

Es necesario tener en cuenta el comportamiento del sistema de puesta a tierra para corrientes transitorias elevadas. Unos valores de corriente muy elevados reducen la resistencia de puesta a tierra, a causa del fuerte campo eléctrico entre el electrodo de tierra y el suelo, mientras que unos cambios rápidos de corriente aumentan la impedancia de puesta a tierra, a causa de la inductancia del electrodo de tierra. La impedancia de puesta a tierra es, en este caso, una superposición de estos dos eventos.

BIBLIOGRAFIA

IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems

Guía Calidad de Energía Eléctrica 6-3-1 Puesta a Tierra – Construcción Guía Calidad de Energía Eléctrica 6-5-1 Puesta a Tierra – Construcción AEMC_entendiendo pruebas de resistencia de tierra

INDICE

INTRODUCCION ------------------------------------------------------------------------------------------------- 1

1.1. OBJETIVOS GENERALES --------------------------------------------------------------------------------- 2

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS -------------------------------------------------------------------------------- 2

2. RESISTIVIDAD DE LA TIERRA ----------------------------------------------------------------------------- 2

2.1. EL TIPO DE SUELO AFECTA LA RESISTIVIDAD ------------------------------------------------------ 2

2.2. LA RESISTIVIDAD DECRECE CON LA HUMEDAD Y LAS SALES DISUELTAS ------------------ 4

2.3. EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO ------------------------- 5

3. MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE TIERRA PARA SISTEMAS ELÉCTRICOS -------------------- 6

3.1. FACTORES QUE PUEDEN MODIFICAR SU“MÍNIMA” RESISTENCIA A TIERRA ------------- 6

3.2. VALORES ACEPTABLES RECOMENDADOS ---------------------------------------------------------- 6

4. NATURALEZA DE UN ELECTRODO A TIERRA --------------------------------------------------------- 8

4.1. RESISTENCIA A LA TIERRA ------------------------------------------------------------------------------ 8

4.2. ELECTRODOS ----------------------------------------------------------------------------------------------- 10

4.3. CONSTITUCIÓN DE LOS ELECTRODOS ARTIFICIALES -------------------------------------------- 11

4.4. CONSTITUCIÓN DE LOS ELECTRODOS NATURALES ---------------------------------------------- 11

5. TIPOS DE ELECTRODOS ------------------------------------------------------------------------------------ 11

5.1 VARILLA COPPERWELD ---------------------------------------------------------------------------------- 11

5.2. TIPO PICA O JABALINA ---------------------------------------------------------------------------------- 12

5.3. TIPO PLACA ------------------------------------------------------------------------------------------------ 13

5.4. REHILETE ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 14

5.5. EN ESTRELLA ----------------------------------------------------------------------------------------------- 15

5.6. DE GRAFITO RÍGIDO ------------------------------------------------------------------------------------- 15

5.7. DE PICRÓN -------------------------------------------------------------------------------------------------- 16

5.8. DE TUBO METÁLICO ------------------------------------------------------------------------------------- 17

5.9. PROFUNDO ------------------------------------------------------------------------------------------------- 17

5.10. HORIZONTAL O CONTRAPESO ----------------------------------------------------------------------- 18

5.11. QUÍMICO -------------------------------------------------------------------------------------------------- 18

5.12. EMPOTRADO EN CONCRETO ------------------------------------------------------------------------- 19

6. MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA ------------------------------------- 19

6.1. CONFIGURACIONES DE LOS ELECTRODOS --------------------------------------------------------- 19

6.1.1. EN ANILLO ----------------------------------------------------------------------------------------------- 19

6.1.2. MALLAS --------------------------------------------------------------------------------------------------- 20

6.1.3. PATA DE GANSO ---------------------------------------------------------------------------------------- 21

6.1.4. TRIÁNGULO---------------------------------------------------------------------------------------------- 21

6.1.5. PLACA ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 22

6.1.6. ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA EN RADIO FRECUENCIA ------------------------------- 22

7. COMPUESTOS QUÍMICOS --------------------------------------------------------------------------------- 22

8. RESISTENCIA DE ELECTRODOS DE CONEXIÓN A TIERRA TÍPICOS ------------------------------ 24

9. EJEMPLOS DE CALCULOS ---------------------------------------------------------------------------------- 34

9.1. Ejemplo A --------------------------------------------------------------------------------------------------- 34

9.2. Ejemplo B --------------------------------------------------------------------------------------------------- 35

9.3. Ejemplo C --------------------------------------------------------------------------------------------------- 35

9.4. Ejemplo D --------------------------------------------------------------------------------------------------- 35

9.5. Ejemplo E --------------------------------------------------------------------------------------------------- 35

10. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE LA TOMA TIERRA SEGÚN IEEE_STD_142 ---------------- 36

CONCLUSIONES ------------------------------------------------------------------------------------------------- 38

BIBLIOGRAFIA -- ------------------------------------------------------------------------------------------------ 38

INDICE DE FIGURAS

FIGURA 1 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

FIGURA 2 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9

FIGURA 3 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12

FIGURA 4 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12

FIGURA 5 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13

FIGURA 6 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14

FIGURA 7 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14

FIGURA 8 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15

FIGURA 9 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15

FIGURA 10 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 16

FIGURA 11 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 17

FIGURA 12 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 17

FIGURA 13 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 18

FIGURA 14 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 18

FIGURA 15 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 19

FIGURA 16 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 20

FIGURA 17 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 20

FIGURA 18 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 21

FIGURA 19 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 21

FIGURA 20 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 22

FIGURA 21 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 23

FIGURA 22 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 23

FIGURA 23 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 25

FIGURA 24 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 26

FIGURA 25 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 26

FIGURA 26 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 28

FIGURA 27 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 29

FIGURA 28 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 30

FIGURA 29 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 31

FIGURA 30 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 32

FIGURA 31 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 33

FIGURA E ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36

INDICE DE TABLAS

TABLA 1 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

TABLA 2 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

TABLA 3 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

TABLA 4 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5

TABLA 5 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5

TABLA 6 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9

TABLA 7 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 27

TABLA 8 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 37

TABLA 9 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 37