consideraciones iniciales para el diseño de puestas a tierra.

CONSIDERACIONES INICIALES PARA EL DISEÑO DE
PUESTAS A TIERRA
RESUMEN
Jorge Humberto Sanz Alzate
Profesor Asistente Universidad
Tecnologica de Pereira.
e-mail: jsanz@utp.edu.co
El conocimiento de las características del suelo donde se desea
construir una a puesta adquiere su verdadero valor cuando en su
diseño se cuenta con la información necesaria para obtener un
diseño óptimo.
ABSTRACT
Given the importance of the system of put to ground that is
desired to design and the costs that implies to obtain a value
specify of resistance of put to ground, is determinant to know the
parameters that they are required for the to obtain an optimum
design.
1.
INTRODUCCIÓN.
Hoy por hoy los sistemas de puesta a tierra
adquieren su verdadero valor como uno de los
componentes más importantes de los sistemas
eléctricos, puesto que su función es la de forzar la
derivación al suelo de las intensidades de
corriente de cualquier naturaleza que se pueden
originar, ya se trate de corrientes de defecto, baja
frecuencia industrial, o debidas a descargas
atmosféricas, tipo impulso.
La aparición de las intensidades originadas por la
instalación de sistemas de puesta a tierra puede
originar la aparición de diferencias de potencial
entre ciertos puntos, por ejemplo, entre la
instalación del sistema de puesta a tierra y el
suelo que la rodea o entre dos puntos del mismo
sistema, por cuya razón debe concebirse la
instalación de puesta a tierra para que incluso con
la aparición de las diferencias de potencial
aludidas se cubran los siguientes objetivos:
-
Seguridad de las personas.
Protección de las instalaciones.
Mejora de la calidad del servicio.
Establecimiento y permanencia de un
potencial de referencia.
Se pretende con este ensayo recoger una buena
parte de los conceptos iniciales que necesitan los
ingenieros electricistas y electrónicos que tienen
que ver con sistemas de puesta a tierra, e ilustrar
la importancia de conocer la resistividad del
terreno.
2. TIPOS DE SISTEMAS DE PUESTA A
TIERRA.
Existen varias maneras para que un sistema
eléctrico esté puesto a tierra, que va desde lo más
elemental como es un electrodo, pasar por placas
de formas y tamaños diversos, y llegar a
complicadas configuraciones de cables,
electrodos y placas enterradas en el suelo.
De acuerdo a su uso podemos agrupar los
sistemas de puesta de la siguiente forma:
-
De protección.
De servicio.
Temporales.
Cualquier a que sea el grupo en que se encuentre
clasificado, los sistemas de puesta a tierra deben
cumplir entre otros con los siguientes requisitos:
SCIENTIA ET TECHNICA No.
- El valor de la resistencia debe ser el adecuado
para poder considerar el sistema como
sólidamente conectado a tierra.
- Debe garantizar condiciones de seguridad a los
seres vivos.
- La variación de la resistencia debida a
cambios ambientales debe ser tal que en
cualquier momento que se presenten cargas
estáticas o descargas eléctricas atmosféricas
permita su conducción a tierra.
- Permitir a los equipos de protección despejar
rápidamente las fallas.
- Alta capacidad de conducción y disipación de
corriente.
- Evitar ruidos eléctricos.
- Deben ser resistentes a la corrosión.
- Su costo debe ser lo más bajo posible.
- Su vida útil deber ser mayor a 20 años.
- Debe permitir un fácil mantenimiento.
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12. Diámetro y forma de los electrodos.
13. Área de contacto con el suelo.
14. Cableado de conexión, cuyo diámetro
debe ser directamente proporcional a la
corriente de fallo.
15. Sistema de conexión.
16. Profundidad de enterramiento.
17. Cercanía de otras puestas a tierra. (Por lo
general debe estar a 5 veces el lado más
largo del sistema del centro geométrico).
18. Tipo de corriente de fallo.
19. Frecuencia de la corriente de fallo.
20. Separación de los electrodos.
Los parámetros relacionados con el suelo
permiten conceptuar un término
que
de
acuerdo a su valor facilita determinar las
características de este, el término se denomina
resistividad del suelo.
3.1 Resistividad del suelo.
3. FACTORES QUE INCIDEN EN EL
DISEÑO DE LA PUESTA A TIERRA.
La siguiente lista muestra algunos factores que en
forma directa o indirecta, inciden en el diseño y la
calidad de una puesta a tierra.
1. La composición geológica del suelo:
Debido a la presencia de elementos tales
como arena, grava, arcilla, caliza,
cemento, materias orgánicas, piedras
inciden en forma fundamental en la
calidad de una puesta a tierra.
2. Contenido de agua.
3. Viscosidad del agua.
4. Temperatura del suelo.
5. Solubilidad del terreno.
6. Concentración de sales disueltas.
7. Composición química del suelo.
8. Geometría de los poros.
9. Composición mecánica del suelo.
(Compactación).
10. Textura de las rocas que hacen parte del
suelo.
11. Material de los electrodos.
Como se conceptúo antes algunos factores
determinan una variable muy importante del
suelo, su resistividad, la cual se puede definir
como la resistencia que hay entre las caras de un
cubo, que tiene de lado 1 metro, el cual es llenado
con el suelo que se desea analizar. (Sus unidades
serían Ohmio/metro).
El suelo en su estado natural es un mal conductor
de electricidad y totalmente seco se comporta
como un material semiconductor o aislante. El
valor de la resistividad fluctúa para distintas rocas
en límites muy amplios, dependiendo de la
composición de las mismas, de la conductividad
de sus partículas de sus estructura, de la presencia
de agua, de las sales y otros parámetros. Por ello
es importante listar los factores que más inciden
en la resistividad de un suelo.
Entre los factores más importantes son:
1. La constitución del terreno.
2. La humedad del terreno.
3. Las sustancias ácidas básicas.
SCIENTIA ET TECHNICA No.
4. Temperatura.
5. Compactación
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La humedad y salinidad del suelo.
La
resistividad
del
terreno
depende
principalmente del tamaño de las partículas que
lo componen, de la proporción de materiales
solubles y de su grado de humedad.
La resistividad del suelo generalmente es
inversamente proporcional a la humedad del
terreno, aunque si la salinidad del terreno es baja
o si se encuentra a muy baja temperatura
(congelada)se puede tener una resistividad alta.
El suelo se compone principalmente de óxido de
silicio y óxido de aluminio que son buenos
aislantes. La presencia de sales en estos óxidos
reduce la resistividad.
Esta cantidad de agua varía de acuerdo con el
clima, la época del año, la temperatura, la
naturaleza del suelo, la existencia de depósitos de
agua subterránea, entre otros.
Con el fin de mantener la humedad del terreno se
recomienda utilizar un tratamiento químico con
algún GEL, el cual tiene la propiedad de capturar
y retener la humedad cerca de él.
En general la humedad aumenta con la
profundidad, y vale la pena anotar que es muy
difícil encontrar suelos secos. (Donde se tiene
menos del 40% de humedad).
Se tiene como costumbre utilizar sales para
mejorar la resistividad del terreno, dicha práctica
resulta poco recomendable ya que éstas se diluyen
con la lluvia y producen una fuerte corrosión a los
elementos del sistema de puesta a tierra
(electrodos).
La resistividad del agua está gobernada por las
sales disueltas en ella, por lo cual se dice que la
resistividad del suelo es influenciada por la
cantidad y tipos de sales disueltos en ésta.
(condición que se presenta para la electrólisis).
3.1.3 Compactación y presión del suelo.
3.1.1
Constitución del suelo.
Debido a que no hay una definición de los tipos
de suelos no se puede dar un valor exacto de la
resistencia a un suelo determinado, sin embargo
se han podido recopilar algunos valores que están
consignados en la tabla No.1, que en condiciones
normales de humedad pueden servir de
referencia:
Tipo de suelo
Lama
Humus
Arcillas
Tierra de jardín
Caliza fisurada
Caliza compacta
Granito
Arena común
Resistividad
(ohmios/metro)
5 a 100
10 a 150
80 a 330
140 a 480
500 a 1000
1000 a 5000
1500 a 10000
3000 a 8000
Tabla No. 1 Resistividad según el tipo de suelo.
Un suelo compacto presenta mayor continuidad y
por lo tanto una menor resistividad. Un aumento
de presión sobre el terreno da una mayor
compactación y por lo tanto una menor
resistividad.
Si la granulometría del suelo es mayor tiende a
aumentar la resistividad dado que no permite la
retención de agua y al haber menor contacto entre
los granos hay una menor continuidad eléctrica.
3.1.4
Temperatura del suelo.
Como se ha establecido que la humedad ejerce
una influencia en la resistividad del terreno, es
fácil relacionar también la influencia de la
temperatura sobre la resistividad.
Al tener aumentos de temperatura, se disminuye
la humedad del terreno lo que nos da una
SCIENTIA ET TECHNICA No.
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resistividad mayor. Esto debe ser antes
considerado y verificado puesto que la
evaporación del agua puede ser sólo superficial.
Para valores de temperatura bajo cero se tendrá
también un aumento de la resistividad ya que el
hielo tiene una alta resistividad eléctrica.
como electrodos frente a la que puede poseer el
terreno. En efecto, si se trata de cobre, presenta
una resistividad de:
 .m 2 

(1)
1


cu ( 20 ) 
m
8 

1, 7 x10
3.
mientras que para un terreno excelente, en
circunstancias favorables, rara vez se podrá
alcanzar una resistividad igual a:
Métodos y dispositivos para la medición
de resistividad del suelo.
Uno de los datos más importante, en la
elaboración de cualquier proyecto de puesta a
tierra, es un conocimiento de las características
del suelo, principalmente de su resistividad
eléctrica.
Si observamos, en general, la resistencia total que
presenta una instalación de puesta a tierra esta
constituida por las siguientes partes:
-
-
La resistencia del conductor(línea de
tierra y línea de enlace con el electrodo)
que conecta el electrodo de tierra al
sistema que debe ponerse a tierra.
La resistencia de contacto entre la
superficie del electrodo y el terreno.
La resistencia del suelo en el que está
enterrado el electrodo.
La resistencia del conductor se puede determinar
perfectamente por los procedimientos usuales,
como los establecidos por el NEC y otras normas
relacionadas. La de contacto con el terreno es
despreciable por su escaso valor y la parte más
significativa es la correspondiente al terreno que
rodea al electrodo, porque las anomalías
eléctricas producidas pro los conductores
enterrados dependen del contraste de
resistividades eléctricas entre los conductores y la
roca que los envuelve. Por lo tanto, es necesario
saber cual es el valor de la resistividad de los
minerales y rocas que se hallan en la zona
dispuesta para implementar la puesta a tierra.
También, se debe señalar la escasa importancia
de la baja resistividad de los materiales utilizados
 .m 2 
 Terreno  1 

 m 
(2)
es decir, que en el mejor de los casos, posee una
resistividad 170 millones de veces mayor que la
del cobre, circunstancia a veces no tenida en
cuenta y por cuya razón poco importa, desde el
punto de vista de la resistividad.
Cuando una corriente eléctrica DC o AC de baja
frecuencia se inyecta en un sistema de puesta a
tierra, la corriente fluye por todos los conductores
y pasa a tierra a lo largo de la superficie de estos.
Dicha corriente encuentra una resistencia, la cual
depende principalmente de la resistividad del
terreno.
Debido al efecto de una corriente fluyendo a
través de una resistencia, el sistema de puesta a
tierra y todas las estructuras metálicas conectadas
a él se elevarán de potencial con respecto a un
punto remoto. Esta elevación de potencial puede
producir sobre la superficie del terreno gradientes
de potencial que pueden resultar peligroso para
los seres vivos.
La mayoría de los métodos de análisis de
sistemas de puesta a tierra suponen la resistividad
del suelo como uniforme. Lo que implica que la
resistividad del suelo permanece constante con la
profundidad y también con la ubicación sobre la
superficie del terreno, desafortunadamente, esta
situación rara vez se encuentra en la práctica. En
SCIENTIA ET TECHNICA No.
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la gran mayoría de los casos la resistividad
medida, trazada como una función de la distancia
entre los electrodos, muestra variaciones, lo cual
indica un suelo no uniforme. Aunque en la
literatura se encuentran diversos modelos para la
estructura del suelo, en la mayoría de los casos en
que se presenta un suelo no homogéneo, resulta
suficiente modelar el terreno con dos capas
horizontales de diferente resistividad.
Los métodos más conocidos para la medida de la
resistividad son:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Por toma de muestras.
Arreglo de cuatro electrodos.
Arreglo de Schlumberger o de gradiente.
Arreglo de Wenner o de potencial.
Arreglo de polos.
Arreglo de dipolos.
Por medida de la resistencia.
Se explicará el método de Arreglo de Wenner o
de potencial, ya que su utilización sea
generalizado por su sencillez y confiabilidad.
|
Telurómetro
I
a
a
a
P
a/2
a/2
d = a . 3/4
Electrodo
siendo necesario que la profundidad de los
electrodos sobrepase los 30 cm. El aparato a
utilizado es un telurómetro de cuatro terminales,
siendo los dos electrodos extremos los utilizados
para la inyección de la corriente de medida (I) y
los dos centrales los electrodos de medida de
potencial (V).
Utilizando la metodología que Palmer 1 planteó
para el arreglo de Wenner se obtiene la siguiente
ecuación:
4. .R.a
(3)

2.a
2.a
1

a 2  4. p 2
4.a 2  4. p 2
- : Resistividad (/m)
- R: Resistencia medida con el telurómetro().
- a: Distancia entre electrodos (m).
- p: Enterramiento de los electrodos (m).
Es conveniente aclarar que se habla de
resistividad específica cuando se trata de
conductores o metales, pero para el caso de los
suelos el término apropiado es resistividad
aparente.
En condiciones reales la corteza se compone de
distintas capas y la profundidad de penetración de
las corrientes depende de la distancia entre los
electrodos de emisión, por lo cual el valor de  no
es la resistividad verdadera, sino una función de
las resistividades de la roca y de la profundidad
de penetración de la corriente. En la práctica se
puede admitir que la resistividad aparente es,
básicamente, la de las capas comprendidas entre
la superficie del suelo y la profundidad a la cual
la densidad de corriente se ha reducido a la mitad
de su valor en al superficie, es decir, la
profundidad de exploración es ‘0.75.a’.
Fig. 1 Dispositivo tetraelectródico o método de Wenner
Se requiere que la disposición de los electrodos se
haga en línea recta y equidistantes a una distancia
‘a’(m), simétricamente respecto al punto en el
que se desea medir la resistividad del suelo, no
El eje del sondeo eléctrico vertical y en
consecuencia, de medida de resistividad, se
encuentra en el medio del sistema simétrico
compuesto por los cuatro electrodos, entre los dos
de potencial.
SCIENTIA ET TECHNICA No.
/2001
En la practica se puede utilizar la siguiente
ecuación, que se obtiene de simplificar la
ecuación (3), si la profundidad de enterramiento
(p) de los electrodos es menor de 1/20 de la
separación de los electrodos (a):
 = 2 .  . a. R
(4)
Donde:  : La resistividad aparente en /m
R : Es la resistencia medida por el
telurómetro.
a : Distancia entre electrodos en metros.
En relación con este método, deben tenerse en
cuenta los siguientes aspectos.
Noción de la profundidad de exploración: La
densidad de la corriente en el suelo decrece
regularmente cuando aumenta la profundidad en
la vertical de los electrodos centrales de medida
de potencial ya que la corriente penetra más
profundamente en el suelo cuanto más alejados
estén los electrodos de inyección (esto es sólo
válido para suelos homogéneos).
tierra ‘no depende de ella’.
Se presentará en ejercicio que permite establecer
la importancia de obtener el perfil de resistividad
del suelo, como punto inicial para el cálculo de
un sistema de puesta a tierra.
Ejercicio:
Se requiere de una de puesta a tierra para un
transformador de 300 KVA que alimentará 4
edificios
Paso No 1: Obtención del perfil de resistividad
del suelo.
Se realiza la medida de la resistividad del suelo
utilizando el método de Wenner y un telurómetro
digital marca AEMC modelo 4.500, donde los
datos obtenidos se consignan en la gráfica No.1,
la cual representa el perfil de resistividad del
terreno donde se planea construir la malla.
Perfil de resistividad del terreno
Resistividad(ohmios/m)
800,0
700,0
600,0
500,0
400,0
300,0
200,0
100,0
0,0
1
2
3
4
5
6
Profundidad (m)
Gráfica No. 1
En la práctica normalmente no se recomienda
separaciones mayores a 8 metros para una
profundidad de exploración de 6 metros.
Por otro lado, los potenciales en la superficie,
dependen principalmente de la resistividad de la
capa superficial del terreno que se haya escogido,
mientras que el valor de la resistencia de puesta a
Se puede apreciar en la gráfica que la resistividad
es muy alta en la superficie y comienza a
disminuir a medida que aumenta la profundidad
del terreno.
El valor de la resistividad aparente del suelo es de
570 /m, este valor se elige de la gráfica No.1
para una distancia correspondiente de 2,4 m ya
que dicha distancia se relaciona con la longitud
de los electrodos a utilizar.
7
SCIENTIA ET TECHNICA No.
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Paso 3: Cálculo de la malla.
El cálculo de la malla esta determinado en éste
caso por: La tensión de paso y la tensión de
contacto de la malla y el valor de la resistencia de
puesta a tierra.
Con el fin de obtener los valores de tensión
adecuados se maneja la metodología IEEE 802 de
la siguiente forma:
1. Disminuir el valor de la resistividad
variando la longitud de los electrodos a
utilizar puesto que en la gráfica No. 1 se
puede apreciar que para una profundidad
de 4.8 se obtiene un valor correspondiente
a 380 /m.
2. Disminuir la resistividad del suelo por
medio de métodos químicos, agregando
suelos artificiales (Favigel, etc.), de esta
forma la resistividad final que se obtiene
es equivalente al 30% del valor inicial.
3. Aumentando el área total de la malla.
Para el caso que compete se tiene restricción con
el espacio a utilizar, por lo tanto el método
indicado es el tratamiento químico.
Valor inicial de la resistividad 570 /m.
Valor final esperado después de utilizar
FAVIGEL 171 /m.
Los datos requeridos para la utilización de la
metodología IEEE 80, son:
Corriente de malla en condiciones de falla
Tiempo de despeje de la falla (Seg)
Temperatura ambiente(Centigrados)
Conexiones
con
exotérmica
(Cadweld)
Resistividad en Ohmios - metro.
Profundidad de la malla(m)
3000,00
0,50
30,00
SI
171
0,50
Longitud lado cuadrícula(m)
Rectángulo malla(Largo)
Rectángulo Malla(ancho)
Número varillas de cobre
Longitud c/u varillas(m)
Resistencia gravilla o gap (Ohmios)
Espesor de la Gravilla o gap(m)
1,00
8,00
8,00
4,00
2,40
10000,00
0,50
Los resultados obtenidos son:
Conductor suficiente malla
1/0
Resistencia (Nieman) en ohmios
9,63
Tensión de Paso Permitida
12288,97
Tensión de Contacto Permitida
3238,77
Tensión de Paso Real de la malla
6136,98
Tensión de Contacto Real de la malla 2549,23
Aunque el valor de la resistencia de puesta a
tierra de la malla es un poco alto, los valores de
las tensiones de paso y de contacto están por
debajo de los valores permitidos.
CONCLUSIONES:
El sistema total de puesta a tierra es una parte
fundamental del sistema de protección contra
rayos que contribuye de forma sustancial a la
seguridad del personal y de los equipos en caso
de la incidencia de una descarga, puesto que
provee una solución equipotencial en los equipos
y estructuras y ofrece una trayectoria de baja
resistencia a la corriente del rayo, permitiendo sus
disipación en el terreno sin causar daño.
El sistema de puesta a tierra en una localización
se obtiene mediante la unión de todos los equipos
eléctricos, estructuras metálicas, tierra de
subestaciones, etc., a un sistema de puesta a tierra
de valor de resistencia óhmica baja, para
establecer una condición equipotencial entre
todos los equipos y estructuras, ofreciendo así un
camino de baja resistencia a los rayos, la
reducción
del
ruido
eléctrico
en
telecomunicaciones y un camino de retorno en
circuitos eléctricos y electrónicos.
SCIENTIA ET TECHNICA No.
El valor final de la resistencia de un sistema de
puesta a tierra está sujeto a las exigencias de los
dispositivos que se desean cubrir, de ahí estriba
la importancia de poder obtener el valor deseado
al menor costo posible, teniendo como pauta
inicial el perfil de resistividad del terreno donde
se desea instalar la puesta a tierra.
Bibliografía:
Norma técnica colombiana 4552 – Protección
contra descargas eléctricas atmosféricas.
TIERRAS soporte de la seguridad eléctrica –
Favio Casas Ospina Primera edición – 1998.
ANSI/IEEE80 – 1986 – IEEE Guide for safety in
AC substation grounding.
ANSI/IEEE Std 81 – 1983: Guide for measuring
earth resistivity ground impedance.
MANUAL DE TECNICAS EN MEDICIONES
DE SISTEMA DE PUESTA A TIERRA.- 2000Tesis de grado. Universidad de la Salle, Santafé
de Bogotá.
Los datos de resistividad de suelo para la
Universidad Tecnológica de Pereira, son tomados
del trabajo de campo realizado en el proyecto de
investigación sobre perfil de resistividad del suelo
para el campus de la U.T.P.
1
PALMER, L.S. Examples of Geoelectric Surveys.
Proc.AIEE.,Vol.106,Part A,1959,pp.231-244
2
Programa cortesía de Demo Ingeniería
Santafé de Bogotá.
/2001