Curso de Puestas a Tierra

UNIDAD

Generalidades y conexiones de la puesta a tierra

I

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Indice

Índice Unidad I: “GENERALIDADES Y CONEXIONES DE LA PUESTA A TIERRA” 1. Introducción................................................................................................................ 1 2. Objetivos .................................................................................................................... 1 3. Contenido ................................................................................................................... 1 3.1 Antecedentes técnicos ............................................................................................. 1 3.1.1 Regulaciones oficiales ....................................................................................... 1 3.1.1.1 El código nacional de electricidad.......................................................... 1 3.1.1.2 El decreto supremo N° 25-94 ............................................................... 2 3.1.2 Servicio eléctrico .............................................................................................. 3 3.1.2.1 Las acometidas para servicio eléctrico................................................... 3 3.1.2.2 Las instalaciones eléctricas interiores .................................................... 4 3.2 Introducción y objetivos de la puesta a tierra.............................................................. 5 3.2.1 Definiciones de términos ................................................................................... 5 3.2.2 Justificación a la puesta a tierra......................................................................... 7 3.2.3 El toque eléctrico.............................................................................................. 8 3.2.3.1 El contacto directo ............................................................................... 8 3.2.3.2 El contacto indirecto ............................................................................ 9 3.2.4 Falla de los aparatos eléctricos .......................................................................... 9 3.2.4.1 Recorrido de las corrientes de falla - IF .................................................. 9 3.2.4.2 Corrientes admisibles por el cuerpo humano - IK ...................................10 3.2.5 Parámetros eléctricos en el cuerpo humano ......................................................11 3.2.5.1 Resistencia eléctrica - RK .....................................................................11 3.2.5.2 Potenciales admisibles - VK ..................................................................12 3.2.6 Objetivos de la puesta a tierra..........................................................................13 ¿Por qué conectar a tierra sistemas y circuitos......................................13 3.3. Tipos de puesta a tierra............................................................................................14 3.3.1 Conexiones típicas de aterramiento del nuetro de un sistema eléctrico................14 3.3.1.1 Sistema eléctrico con neutro aislado ....................................................14 3.3.1.2 Sistema eléctrico con nuetro a tierra ....................................................15 3.3.1.3 Sistemas de alimentación en 220 V......................................................16 3.3.2 Puesta a tierra típica en instalaciones ...............................................................21 3.3.2.1 Puesta a tierra de los sistemas eléctricos..............................................22 3.3.2.2 Puesta a tierra de los equipos eléctricos ...............................................22 3.3.2.3 Puesta a tierra en señales electrónicas .................................................23 3.3.2.4 Puesta a tierra de protección electrónica ..............................................23 3.3.2.5 Puesta a tierra de la protección atmosférica .........................................23 3.3.2.6 Puesta a tierra de protección electroestática.........................................23 3.3.3 Normas de referencia ......................................................................................24 4. Resumen........ .........................................................................................................25 5. Preguntas de autocomproación...................................................................................26 6. Respuestas a las preguntas de autocomprobación .......................................................27

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UNIDAD I “GENERALIDADES Y CONEXIONES DE LA PUESTA A TIERRA” 1. INTRODUCCIÓN En esta unidad se describen los aspectos genéricos que sustenta la realización de una conexión a tierra, tales como: las regulaciones existentes, términos mas usuales en la puesta a tierra, aspectos sobre el contacto directo e indirecto y con ello las fallas en los aparatos eléctricos y el recorrido de las mismas. Así también, se mencionan las corrientes admisibles por el cuerpo humano, para luego plantear los objetivos de la puesta a tierra y precisar que existen diferentes tipos de puesta a tierra. 2. OBJETIVOS En esta unidad el participante debe lograr los siguientes objetivo: 1. 2. 3. 4.

Conocer los antecedentes técnicos Diferenciar e interpretar los fenómenos que se presentan durante las fallas Identificar los objetivos de la puesta a tierra Diferenciar los diversos tipos de puesta a tierra.

3. CONTENIDO 3.1. ANTECEDENTES TÉCNICOS 3.1.1.

REGULACIONES OFICIALES La autoridad administrativa sectorial en el sector eléctrico tiene a su cargo el Código Nacional de Electricidad como instrumento de Normativa Técnica, cuyas aplicación de pautas y recomendaciones se asimila al otorgamiento de Licencias de Construcción por parte de las municipalidades con la participación de organismos especializados como el Colegio de Ingenieros del Perú. 3.1.1.1 EL CÓDIGO NACIONAL DE ELECTRICIDAD Es un compendio de Normas (Fig.1.1), recomendaciones y procedimientos para cautelar la seguridad de las personas contra el peligro del uso de la electricidad; la versión al mes de mayo de 1978 consta de cinco tomos, orientados a subsistemas, en ellos se privilegia la conexión a tierra; empezando por el Tomo 1, capítulo 3 título 3.5.1, inciso c) que considera requisito mínimo de seguridad contra accidentes eléctricos, la conexión a una toma de tierra de todas las masas de una misma instalación.

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Fig. 1.1 Código nacional de electricidad

3.1.1.2 EL DECRETO SUPREMO N° 25 – 94 Es una directiva de rango superior, emitida el 7/12/94 (Fig. 1.2) que encarga a las municipalidades el otorgamiento de licencias de construcción, el control de las mismas y la conformidad de la obra de toda edificación dentro de su jurisdicción, proponiendo asimismo, los organismos que intervienen en la aprobación y los documentos técnicos a ser examinados, entre los cuales se cuentan los planos de instalaciones eléctricas según prescripciones del Código Nacional de Electricidad.

Fig. 1.2 Decreto supremo N° 25-94

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Las edificaciones que no incluyen en sus instalaciones eléctricas interiores, la puesta a tierra con el respectivo circuito de protección que llega hasta la tercera entrada de los receptáculos de tomacorrientes, contravienen la norma e incumplen la licencia de construcción otorgada. 3.1.2.

EL SERVICIO ELÉCTRICO La empresa de distribución provee el servicio en el punto de conexión del medidor; desde allí hacia el interior, las instalaciones eléctricas son de total responsabilidad del cliente. 3.1.2.1 LAS ACOMETIDAS PARA SERVICIO ELÉCTRICO Cuando parten de una red subterránea de baja tensión en 220 V (Fig. 1.3), los conductores ingresan a la caja del medidor por debajo a través de los ductos acondicionados; dicha instalación debe estar protegida contra los derrames de agua y la acción de los roedores.

Fig. 1.3 Acometida subterránea

Cuando parten desde una red de baja tensión en 220 V (Fig. 1.4), los conductores de entrada a la caja del medidor lo hacen por encima a la altura de guarda, por un tubo de plástico moldeado en forma curva para evitar el ingreso de agua. La preservación respecto de la humedad y el agua, así como de cualquier daño en las acometidas del servicio eléctrico, resulta ser indispensable para evitar la electrización de la caja del medidor y los toques directos.

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Fig. 1.4 Acometida aérea.

3.1.2.2 LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS INTERIORES Los alimentadores principales llegan al tablero de distribución, provenientes del medidor y desde allí se reparten a través de interruptores en diferentes circuitos, normalmente de tres conductores para tomacorrientes y cargas especiales (dos energizados y uno para conexión a tierra); y de dos conductores para iluminación (ambos energizados) (Fig. 1.5) Las instalaciones interiores que no presentan dicha configuración, son irregulares y son peligrosas porque pueden propiciar daños a la salud o muerte de las personas que hagan contacto eléctrico accidental.

Fig. 1.5 Componentes interiores.

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3.2. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS DE LA PUESTA A TIERRA Antes de definir los objetivos de una puesta a tierra, es importante conocer algunos términos empleados, así como, los fenómenos que se presentan durante una fallas, el recorrido de esta falla por el cuerpo humano y las corrientes admisibles. 3.2.1.

DEFINICIONES DE TÉRMINOS Es conveniente definir algunos términos que tienen relación con el tema de puesta a tierra y los que utilizaremos durante el desarrollo del presente curso. •

Caída de potencial o tensión: Es la diferencia entre las tensiones medidas en dos puntos diferentes de una línea en un momento dado.

•

Conductor de protección: Conductor usado para conectar las partes conductivas de los equipos, canalizaciones y otras cubiertas, entre sí y/o con el (los) electrodo (s) de puesta a tierra, o con el conductor neutro, en el tablero, el equipo de conexión o en la fuente de un sistema derivado separadamente.

•

Conductor de puesta a tierra: Conductor usado para conectar el electrodo de puesta a tierra al conductor de protección.

•

Contacto directo: Es el contacto accidental de personas con un conductor activo (fase o neutros) o con una pieza conductora que habitualmente está con tensión.

•

Contacto indirecto: Es el contacto de una persona con masas metálicas accidentalmente puestas bajo tensión, siendo esto el resultado de un defecto de aislamiento.

•

Contacto a tierra: Conexión accidental de un conductor con la masa terrestre (tierra), directamente a través de un elemento extraño.

•

Electrodo de puesta a tierra: Electrodo que se hinca en tierra para ser utilizado como terminal a tierra, tal como una barra de cobre.

•

Impedancia: Una cantidad compleja cuyo coeficiente es el módulo de la impedancia, cuyo argumento es el ángulo de fase de la tensión menos el ángulo de fase de la corriente. También, se define como la oposición total o una corriente alterna. Se presenta por Z y se expresa en ohm. Puede consistir sólo en resistencia, reactancia, reactancia inductiva, reactancia capacitiva o una combinación de estos efectos.

•

•

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Neutro (Tierra): Es una conexión a tierra de o de los puntos neutros de un circuito, transformador, maquinaria rotativa o sistema.

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•

Puesta a tierra: Comprende a toda ligazón metálica directa sin fusible ni protección alguna de sección suficiente entre determinados elementos o partes de una instalación y un electrodo o grupos de electrodos enterrados en el suelo con objeto de conseguir que el conjunto de instalaciones, edificios y superficie próxima del terreno. No existen diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes de falla o la descarga de origen atmosférico.

•

Tensión de paso: Es la diferencia de potencial (tensión) máxima entre dos puntos sobre el terreno separados entre sí a una distancia de un paso, la cual se supone de un metro, en la dirección de máxima gradiente de potencial.

•

Gradiente de potencial: Es la pendiente del gráfico de perfil de potencial (tensión), cuya trayectoria intercepta en ángulo recto las líneas que se encuentran a igual potencial en un instante dado.

•

Tensión de toque: Es la diferencia de potencial máxima entre una estructura u objeto metálico puesto a tierra y un punto sobre la superficie del terreno a una distancia horizontal de un metro.

•

Aparato eléctrico: Es todo dispositivo, equipo o artefacto que funciona con energía eléctrica, ya sea en forma estática o mediante movimiento.

•

Conexión a tierra: Unión mediante un conductor, desde el terminal de tierra o masa de un aparato eléctrico, con una puesta a tierra.

•

Resistencia de dispersión: Resistencia que opone la puesta a tierra al paso de la corriente eléctrica. Conviene que sea mínima para brindar mejor protección.

•

Terminal de conexión a tierra o borde de tierra: es un punto aislado de los conductores eléctricos, pero no de la masa del aparato, al cual se une sólidamente el conductor de conexión a tierra.

•

Masa o carcasa: Es la caja metálica exterior que contiene a un aparato eléctrico, presentando un punto, denominado terminal o borne en el cual se realiza la conexión a tierra.

•

Puesta a tierra o aterramiento (P.A.T.): Instalación de seguridad eléctrica en la que un electrodo de cobre es enterrado en el suelo con la finalidad de dispersar corrientes eléctricas para evitar accidentes.

•

Poner a tierra o aterrar: Equivale a realizar la conexión de una masa o un punto neutro a una puesta a tierra.

•

Electrodo de puesta a tierra o electrodo de aterramiento: Es un conductor metálico rectilíneo resistente al ataque corrosivo (cobre), embutido directamente en el suelo o en el relleno de una excavación, puede tener diferentes formas.

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3.2.2.

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•

Electrodos verticales o jabalinas: Son simples varillas metálicas cilíndricas de pequeño diámetro que se instalan verticalmente en el suelo, ya sea por clavado directo o por embutimiento en el relleno de un pozo.

•

Electrodos horizontales o pletinas o contrapesos: Son simples pletinas o conductores cableados de mediano diámetro equivalente, que se instalan horizontalmente en el suelo, por embutimiento en el relleno de una zanja.

•

Electrodos mixtos: Son electrodos conformados por elementos verticales y horizontales sólidamente unidos entre sí, que se configuran según los requerimientos de dispersión o control de la corriente evacuada a tierra.

•

Relleno de puesta a tierra: Mezcla de tierra fina propia de la excavación y/o tierra fina de otra procedencia (no tierra de cultivo) con aglutinantes naturales y complemento localizado de sales inocuas, que permitan obtener bajas resistencias de dispersión.

JUSTIFICACIÓN DE LA PUESTA A TIERRA Para que un sistema de energía eléctrica opere correctamente con una apropiada continuidad de servicio, con un comportamiento seguro de los sistemas de protección y para garantizar los niveles de seguridad personal es necesario que el sistema eléctrico en su conjunto posea un sistema de puesta a tierra como se muestra en la siguiente figura.

Fig. 1.6 Acometida de puesta a tierra de los diferentes artefactos domiciliarios.

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Cuando se trata de instalaciones eléctricas que darán servicio a una extensa gama de aparatos eléctricos y electrónicos ya sean fijos o móviles; con carcazas metálicas y no metálicas, susceptibles al deterioro desde el punto de vista eléctrico, es fundamental la protección contra las fallas debido al deterioro del aislamiento que originan la aparición de tensiones por contactos indirectos. 3.2.3.

EL TOQUE ELÉCTRICO Es el contacto accidental con un conductor u objeto electrizado que ocasiona inicialmente estremecimiento y contracciones súbitas en una persona o en un animal; la severidad y consecuencias de estas y otras manifestaciones, dependerán de la intensidad de la corriente eléctrica y del tiempo que ésta circule por el cuerpo. 3.2.3.1 EL CONTACTO DIRECTO Ocurre cuando una parte desprotegida del cuerpo humano (Fig. 1.7) hace contacto limpio con una pieza desprovista de aislamiento o con una parte de un conductor activo (energizado), en tanto que otra parte del cuerpo está en contacto con otro punto de menor potencial (suelo); generalmente se trata de componentes defectuosos o averiados por el uso, tales como tomacorrientes o enchufes, o bien conductores pelados de artefactos eléctricos domésticos. Los toques directos son sumamente peligrosos para la vida. Los accidentes se pueden evitar, en principio, cuidando que los elementos eléctricos que normalmente utilizamos como son; interruptores, timbres, tomacorrientes, enchufes, conductores aislados etc. no presenten averías ni daños.

Fig. 1.7 Contacto directo.

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3.2.3.2 EL CONTACTO INDIRECTO Constituye el contacto de una parte del cuerpo humano (Fig. 1.8) con la masa (caja metálica o cubierta) de una máquina, artefacto o instalación eléctrica que se ha electrizado debido a la falla interna del aislamiento, mientras que otra parte está en contacto con un punto de menor potencial. Puede ocurrir con la máxima conducción de corriente “Falla Franca” o a través de una resistencia espontánea que limita dicha corriente “Falla Amortiguada” Los toques indirectos a veces son menos peligrosos porque el contacto ocurre a través de un medio que limita la corriente; sin embargo, son difíciles de evitar al igual que las fallas eléctricas. En todos los casos, al cumplir con la forma de uso, recomendada por el fabricante para cada aparato, se estará minimizando el riesgo.

Fig. 1.8 Contacto indirecto.

3.2.4.

FALLA DE LOS APARATOS ELÉCTRICOS Los aparatos eléctricos en funcionamiento pueden fallar por deterioro natural o como consecuencia del uso recargado o erróneo o por la incidencia de una sobretensión en el circuito eléctrico; de ese modo involucran accidentalmente a las personas que los están utilizando con una corriente que atraviesa el cuerpo. 3.2.4.1 RECORRIDO DE LAS CORRIENTES DE FALLA - IF La corriente de falla en vez de regresar a la fuente por el conductor mellizo lo hará necesariamente por el suelo (tierra), para lo cual pasa por la falla hacia la masa y continúa por las partes más conductoras que están en contacto con ella, hasta que llega tierra. (Fig. 1.9)

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Cuando no hay conexión entre la masa y tierra una de esas partes más conductoras puede ser la persona que está utilizando el aparato, tocándolo o agarrándolo, en cuyo caso, su salud o vida estarían en peligro. Para minimizar la corriente peligrosa que podría pasar a través de la persona, la norma recomienda conectar la masa del artefacto con la tierra, con lo cual se reduce drásticamente la resistencia del trayecto para la circulación de la corriente de falla.

Fig. 1.9 Corriente de falla retornando a la fuente.

3.2.4.2 CORRIENTES ADMISIBLES POR EL CUERPO HUMANO - IK Las corrientes susceptibles de circular por el cuerpo humano comprometiendo el corazón y sin peligro para la salud, se denominan corrientes admisibles (Fig.1.10) y se han establecido (Dalziel) para intervalos de hasta 3,0 segundos según el peso medio de la persona (70 kg asignado para los hombres y 50 kg. Para las mujeres.) Son relativamente pequeñas y según su intensidad, producen diferentes sensaciones. IK (60 HZ) Menor a 1,0 mA De 6,0 a 1,0 mA De 8,0 a 25 mA De 25 a 50 mA

SENSACIÓN Límites de Percepción Fastidio, hormigueo Malestar, Calambres Asfixia, Descontrol

Las normas adoptan como límite de corriente admisible, 50 mA, en intervalos de hasta 3,0 segundos, dado que por encima de dicha magnitud hasta los 100 mA, la corriente puede producir fibrilación ventricular y mayores corrientes de electrocución y muerte.

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Fig. 1.10 Corrientes admisibles según el tiempo de aplicación.

3.2.5.

PARÁMETROS ELÉCTRICOS EN EL CUERPO HUMANO Los toques eléctricos a partir de la diferencia de potencial aplicada conllevan a la circulación de corriente a través del trayecto comprometido del cuerpo humano. La evaluación del fenómeno requiere conocer las magnitudes de resistencia y potencial. 3.2.5.1 RESISTENCIA ELÉCTRICA - RK Entre dos partes diferentes del cuerpo humano que incluyen el corazón, se miden diferentes resistencias eléctricas; las normas recomiendan adoptar un valor promedio de RK = 1000 Ohm. (Fig. 1.11)

Fig. 1.11 Recorridos de la corriente en el cuerpo humano.

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3.2.5.2 POTENCIALES ADMISIBLES - VK La diferencia de potencial, considerada admisible por el cuerpo humano se calcula a partir de IK = 0,05 A (Corriente admisible) y RK = 1000 Ohm (Resistencia media), según la duración (t) del contacto. En régimen permanente (Fig. 1.12), hasta por (t = 3,0 s), el potencial no peligroso en seco está definido por (VK = RK x IK) VK = 1 000 x 0,050 VK = 50 V (Potencial no peligroso en seco) en régimen transitorio (Fig. 1.13), el tiempo (t) de exposición es controlado por la protección eléctrica (fusibles, interruptores), y se define según la relación (Dalziel)

VK = 1 000 x 0,116 / t VK = 116 / t (Potencial soportable > 50 V)

Fig. 1.12 Potenciales en régimen permanente.

Bajo contingencias de toque eléctrico conviene disponer de un circuito alterno de baja resistencia (conexión masa – tierra) y de accesorios que incrementan la resistencia eléctrica de cuerpo humano (guantes, mangas, delantales, zapatos, etc.)

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Fig. 1.13 Potenciales en régimen transitorio.

3.2.6.

OBJETIVOS DE LA PUESTA A TIERRA Los objetivos de una conexión a tierra son: a. Conducir a tierra todas las corrientes anormales que se originan como consecuencia de carcazas de los equipos eléctricas energizados. b. Evitar que aparezcan tensiones peligrosas para la vida humana en las carcazas metálicas de los equipos eléctricos. c. Permitir que la protección del circuito eléctrico, despeje la falla inmediatamente ocurrida ésta. Para lograr que la puesta a tierra de protección, cumpla con los objetivos previstos, es necesario establecer un medio a través del cual sea posible entrar en contacto con el terreno propiciando un camino de baja impedancia a menor costo, para la operación correcta de los equipos de protección, manteniendo los potenciales referenciales en un nivel adecuado. Otra función que cumple la conexión a tierra es dispersar rápidamente las elevadas corrientes, evitando sobretensiones internas y externas. “En conclusión, se puede decir que una buena conexión a tierra si cumple con las premisas antes indicadas” ¿POR QUÉ CONECTAR A TIERRA SISTEMAS Y CIRCUITOS? Para limitar tensiones debido a: • Rayos. • Sobretensiones. • Contactos indirectos frente a falla de aislamiento.

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Y para: • Estabilizar la tensión durante operaciones normales (maniobras). • Facilitar la operación de los interruptores de circuito (Ej. Interruptor diferencial). La • • • •

trayectoria de la puesta a tierra debe ser: Intencionalmente realizada. Debe ser permanente. Debe ser continua. Debe tener amplia capacidad para conducir en forma segura cualquier corriente de falla. • Debe ser una trayectoria de baja impedancia. La • • •

impedancia debe ser mantenida a un valor bajo por tres razones: Limitar la tensión a tierra. Facilitar la operación de los dispositivos de protección. Conducir a tierra corrientes indeseables que causan ruidos lo mismo que corrientes estáticas y de fuga.

3.3. TIPOS DE PUESTA A TIERRA 3.3.1.

CONEXIONES TÍPICAS DE ATERRAMIENTO DEL NEUTRO DE UN SISTEMA El neutro de un transformador o maquinas rotativas puede adoptar diferentes formas de tratamiento. 3.3.1.1 SISTEMA ELÉCTRICO CON NEUTRO AISLADO El neutro real o virtual flota con tensión propia sobre tierra. • • •

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Las tensiones están referidas a tierra a través de las capacitancías parásitas. El retorno de corriente de fallas monofásicas a tierra es de pequeña intensidad. El sistema no presenta seguridad, pero es confiable.

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Delta no puesta a Tierra

s

R

Tensión Neutro -Tierra UNT=0

T

a) Conexión D

b) Diagrama Fasorial Estrella No Puesta a Tierra

Neutro Flotante Vn /√3

Flotante Real Falla If

Retorno de Corrientes de Falla c) Conexión Y

d) Retorno de Corriente de Falla Fig. 1.14 Sistemas con neutro aislado.

3.3.1.2 SISTEMA ELÉCTRICO CON NEUTRO A TIERRA El neutro real o punto de referencia y la tierra son solidarios.

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•

Las tensiones están referidas a tierra directamente a través del neutro puesto a tierra.

•

El retorno de corrientes de falla es de gran intensidad.

•

Sistema presenta seguridad, pero no confiabilidad.

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Delta Puesto a Tierra

s

R

Neutro Fijo

UN

T

a) Conexión D

c) Diagrama fasorial

Conexión a Tierra N

Neutro a Tierra (U=0) Vn /√3

Real Real Falla

Puesta a Tierra Retorno de Corrientes de Falla b) Conexión Y

If

d) Retorno de la Corriente de Falla Fig. 1.15 Sistemas con neutro a tierra.

3.3.1.3 SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN EN 220 V Cualquiera que sea el régimen del neutro de los sistemas eléctricos, estos siempre estarán referidos indirectamente a tierra; según ello se puede estimar la porción (IK) de las corrientes de falla máximas (IF) que pueden pasar a través de una persona: Aquellas cuyo valor sea (IK > 50 mA) serán peligrosas. •

Sistemas 220 V con neutro aislado.

Las tensiones de los alimentadores (Vn) están indirectamente referidas al potencial de tierra (V = 0) a través de las capacitancias parásitas (retorno de pequeñas corrientes) (Fig. 1.16).

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Fig. 1.16 Sistemas sin neutro puesto a tierra.

•

Sin puesta a tierra del usuario La tensión entre los extremos de una falla a través de una persona sin resistencia de contacto con el suelo produce corrientes (IK) peligrosas. (Fig. 1.17).

Vf = V n / 3

IK =

220 / 3 = 127 mA (Falla simple) 1000

Existiendo una falla previa en uno de los conductores sanos, la tensión será (Vn))

IK =

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220 = 220 mA (Falla doble) 100

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Fig. 1.17 Falla en el circuito del usuario si puesta a tierra.

•

Con puesta a tierra del usuario Bajo idéntica situación desventajosa ( puntos de contacto R = 0 Ohm) para la falla de una fase a tierra (Fig. 1.18), se obtendrán corrientes (Ik) no peligrosas:

R = R1 +

RK Rm 1000 x 2 = 25 + 1002 RK + Rm

R = 25 + 1 996 = 26, 99 Ω

If =

Vn / 3 127 = = 4,70 A R 26,99

VAB = I f x R e = 4,7 x 1 996 = 9,36 V IK =

VAB 9,36 = = 0,0093 A = 9,3 mA R K 1000

Con falla doble IK= 0,016 = 16,2 mA. Para derivar las corrientes de falla será necesario un trayecto de baja resistencia entre masas de aparatos y el suelo (Tierra).

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Fig. 1.18 Falla en circuito del usuario con puesta a tierra.

•

Sistemas 220 V con neutro puesto a tierra.

Las tensiones de los alimentadores están directamente referidas al potencial de tierra (V = 0) a través del Aterramiento del Neutro (que posibilita retorno de grandes corrientes) (Fig. 1.19).

Fig. 1.19 Sistemas con neutro puesto a tierra.

•

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Sin puesta a tierra del usuario La tensión entre los extremos de una falla a través de una persona sin resistencia de contacto con el suelo Vr = V / √3 produce corrientes (Ik) peligrosas (Fig. 1.20); la protección impide la falla doble.

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R a = R c + R ts = 0,17 + 6 = 6,17 R= If = VAB IK =

R k x R a 1000 x 6,17 = = 6,132 Ω Rk + Ra 1006,17 V n / 3 127 = = 20,71 A 6,132 R = I f x R = 20,71 x 6,13 = 127 V V AB 127 = = 0,127 A = 127 mA Rk 1000

Fig. 1.20 Falla en circuito del usuario sin puesta a tierra.

•

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Con puesta a tierra del usuario Bajo idéntica situación desventajosa (puntos de contacto R=0 Ohm) para la falla Fase – Tierra (Fig. 1.21) se tendrán corrientes (IK) no peligrosas:

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Rb =

RK R C 1000 0,17 = = 0,169 RK + R C 1000,17

R a = R b + R ts = 0,169 + 6 = 6,169 R s = R m + R1 = 2,0 + 25 = 27 R= If = VAB IK =

R x Rs 6,169 x 27 = = 5,02 R + R s 6,129 + 27 Vn / 3 127 = = 25,30 A R 5,02 = If x R b = 25,30 x 0,169 = 4,27 V VAB 4,27 = = 0,00427 A = 4,27 mA RK 1000

Será necesario proveer para las corrientes de falla, un trayecto de baja resistencia entre las masas de los aparatos eléctricos y el suelo (tierra).

Fig. 1.21 Falla en circuito del usuario con puesta a tierra.

3.3.2.

PUESTA A TIERRA TÍPICAS DE INSTALACIONES A fin tener mayores conceptos claros es puesta a tierra según su aplicación:

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necesario clasificar los tipos de

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3.3.2.1 PUESTA A TIERRA DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS Como se indicó, el propósito de aterrizar los sistemas eléctricos es para limitar cualquier tensión elevada que pueda resultar de rayos, fenómenos de inducción o de contactos indirectos. Esto se logra uniendo parte del sistema eléctrico a tierra física.

Z

En la Fig. 1.22 se muestra los diferentes tipos de puesta a tierra del sistema eléctrico.

Fig. 1.22 Diferentes tipos de aterramientos del neutro de una instalación del sistema eléctrico.

3.3.2.2 PUESTA A TIERRA DE LOS EQUIPOS ELÉCTRICOS Su propósito es eliminar los potenciales de toque que pudieran poner en peligro la vida y las propiedades y para que operen las protecciones por sobrecorriente de los equipos. Se logra conectando al punto de conexión del sistema eléctrico con tierra, todas las partes metálicas que pueden llegar a energizarse, mediante un conductor apropiado a la corriente de cortocircuito del propio sistema en el punto de la conexión. En la siguiente figura se observan las conexiones a tierra del sistema de las partes metálicas de los aparatos y equipos metálicos eléctricos.

Fig. 1.23 Conexión a tierra del sistema de las carcazas (masas) de los equipos y aparatos eléctricos.

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3.3.2.3 PUESTA A TIERRA EN SEÑALES ELECTRÓNICAS Para evitar la contaminación con señales de frecuencias diferentes a la deseada. Se logra mediante blindajes de todo tipo conectados a una referencia cero, pero puede ser la tierra física. 3.3.2.4 PUESTA A TIERRA DE PROTECCIÓN ELECTRÓNICA Para evitar la destrucción de los elementos semiconductores por sobretensión, se colocan dispositivos de protección conectados entre los conductores activos y la referencia cero, que puede ser la tierra física. 3.3.2.5 PUESTA A TIERRA DE LA PROTECCIÓN ATMOSFÉRICA Sirve para canalizar la energía de los rayos a tierra sin mayores daños a personas y propiedades. Se logra con una malla metálica igualadora de potencial conectada a tierra que cubre los edificios o equipos a proteger. 3.3.2.6 PUESTA A TIERRA DE PROTECCIÓN ELECTROESTÁTICA Sirve para neutralizar las cargas electrostáticas producidas en los materiales dieléctricos. Se logra teniendo todas las partes metálicas y dielétricas, utilizando la tierra como referencia de potencial cero. “La regla general es: Cada sistema de tierras debe cerrar eléctricamente el circuito eléctrico que le corresponde”

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3.3.3.

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NORMAS DE REFERENCIA A fin de tener presente durante el desarrollo del curso a continuación se indican las normas referenciales existentes sobre la materia. •

Puesta a tierra de sistema y equipos eléctricos -

•

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IEEE Std 142 – 1991 Grounding of Industrial and Comercial Power Systems. Green Book IEEE. IEEE Std 141 – 1993 Electric Power Distribution for Industrial Plants. 1986 National Electrical Code. ANSI/NFPA 70 – 1996 National Fire Protection Association, Battery March Park, Quincy MA 12269

Normas de referencia nacionales -

NTP 370 . 052: 1999 Seguridad eléctrica Materiales que constituyen el pozo de puesta a tierra

-

NTP370 . 053: 1999 Seguridad eléctrica Elección de los materiales eléctricos en las instalaciones interiores para puesta a tierra. Conductores de protección de cobre

-

NPT370 . 054: 1999 Seguridad eléctrica, enchufes y tomacorrientes con protección a tierra para uso doméstico y general.

-

NTP370 . 055: 1999 Seguridad eléctrica, sistema de puesta a tierra, glosario de términos.

-

NTP370 . 056: 1999 Seguridad eléctrica, electrodos de cobre para puesta a tierra.

-

“Sistema de conexión a tierra”, manual para electricistas, Ing. Justo Yanque Montufar, Procobre-Perú

Unidad I

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4. RESUMEN •

Las regulaciones oficiales, el código nacional de electricidad (tomo I), las normas técnicas peruanas de seguridad eléctrica y el decreto supremo N° 25-94, pueden considerarse como instrumentos normativos del sector eléctrico peruana en lo respecta a sistemas de puestas a tierra.

•

En la prestación del servicio eléctrico, las acometidas domiciliarias pueden ser aéreas o subterráneas las mismas que alimentan de energía eléctrica a las instalaciones interiores de los domicilios, la configuración de estas instalaciones están normalizadas.

•

Es necesario que todo sistema eléctrico posea un sistema de puesta a tierra, así como, todos los aparatos, equipos tanto eléctricos como electrónicos.

•

El contacto directo e indirecto en un sistema eléctrico es perjudicial para el cuerpo humano y ello depende de la intensidad de corriente y del tiempo que ésta circule por el cuerpo.

•

Los equipos eléctricos están propensos a fallar por diversos factores y si no se conecta las masas de los artefactos a tierra, esta corriente de falla pasará a través del cuerpo de la persona que está manipulando el aparato.

•

Las corrientes admisibles por el cuerpo humano depende del sexo, peso y tiempo de exposición, y como valor típico admisible sería 50 mA en un tiempo de 3 segundos.

•

La resistencia eléctrica en el cuerpo humano es variable y depende del recorrido entre las diferentes partes, y el potencial admisible se puede calcular a partir de la corriente admisible y la resistencia típica de 1000 ohmios cuyos valores dependerá de las condiciones de contacto seco o humedo.

•

Una buena conexión de puesta a tierra, debe conducir a tierra todas las corrientes peligrosas, evitar que aparezcan tensiones peligrosas y permitir la protección del circuito eléctrico, despejando la falla en el menor tiempo posible.

•

Existen diferentes tipos de puesta a tierra: - El neutro del sistema eléctrico (transformador o generador) puede estar o no puesto a tierra y de ello dependerá el recorrido de la corriente de falla y la efectividad de la puesta a tierra. - Puesta a tierra de la carcaza de los equipos eléctricos. - Puesta a tierra en señales electrónicas. - Puesta a tierra de protección electrónica. - Puesta a tierra de la protección atmosférica. - Puesta a tierra de la protección electrostática.

•

La regla general es que cada sistema de tierra debe cerrar eléctricamente el circuito eléctrico que le corresponde.

•

Las normas de referencia sobre puesta a tierra se pueden clasificar en nacionales e internacionales.

Unidad I

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5. PREGUNTAS DE AUTO COMPROBACIÓN 1.

¿Cuál es la diferencia entre el código nacional de electricidad y el decreto supremo N| 25-94 en lo que respecta a la normativa técnica sobre puesta a tierra?

2.

¿Qué es tensión de toque?

3.

¿Qué tipo de toque eléctrico es el mas peligroso?

4.

¿Qué factores influyen en la corriente admisible por el cuerpo humano?

5.

¿Porqué la resistencia de una puesta a tierra debe ser mantenida en un valor bajo?

6.

¿Cuál es la diferencia entre un sistema con neutro aislado y un sistema con neutro puesta a tierra?

7.

¿Todas las puestas a tierra en un sistema eléctrico deben unirse?

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6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Mientras que el código nacional es de recomendación y procedimiento para cautelar la seguridad de las personas contra el peligro de la electricidad, el decreto supremo N° 2594 es de cumplimiento por parte de los municipios para lo cual debe de dar conformidad en todas las edificaciones de su jurisdicción. 2. Es la diferencia de potencial máxima entre dos puntos sobre el terreno separados entre si a una distancia de un paso, la cual se supone un metro en dirección de máxima gradiente de potencial. 3. El toque eléctrico directo. 4. Peso de las personas y tiempo de ejecución. 5. Las razones son tres: - Limitar la tensión a tierra. - Facilitar la operación de los dispositivos de protección. - Conducir a tierra corrientes indeseables que causan ruidos, lo mismo que corrientes estáticas y de fuga. 6. La diferencia es que, ante una falla un sistema es mas seguro que el otro y frente a fallas temporales una es mas confiable que la otra. 7. No, la regla general es que cada sistema de tierra debe cerrar eléctricamente el circuito eléctrico que le corresponde.

Unidad I

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UNIDAD

Resistividad del terreno y medición

II

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Indice

Índice Unidad II: “Resistividad del terreno y medición”

1. 2. 3.

4. 5. 6.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 2 CONTENIDO ............................................................................................................ 2 3.1. La resistividad de los suelos .............................................................................. 1 3.2. Influencia en el comportamiento eléctrico del suelo ............................................ 2 3.3 Factores que determinan la resistividad de los suelos ......................................... 3 3.3.1 Naturaleza de los suelos ........................................................................... 3 3.3.2 La humedad............................................................................................. 4 3.3.3 La temperatura del terreno ....................................................................... 5 3.3.4 La concentración de sales disueltos ........................................................... 6 3.3.5 La compactación del terreno ..................................................................... 7 3.3.6 La estratificación del terreno ..................................................................... 8 3.4. Generalidades de la medición de resistividad 3.5. Finalidad de la medición de la resistividad ............................................................ 3 3.6 Selección de los equipos de medición .................................................................. 3 3.6.1 Componentes del instrumento.................................................................... 3 3.6.2 Requisitos mínimos de instrumentos ........................................................... 5 3.6.3 Ensayos tipos ............................................................................................ 5 3.7 Consideraciones para la medición ........................................................................ 6 3.7.1 Precauciones para la medición..................................................................... 6 3.7.2 Casos no recomendables para las mediciones............................................... 6 3.8 Métodos de medida de la resistividad................................................................... 7 3.8.1 Método de tres electrodos........................................................................... 7 3.8.2 Método de los cuatro electrones .................................................................. 8 3.8.2.1 Configuración de Wenner................................................................. 9 3.8.2.2 Configuración de Schlumberger.......................................................12 3.8.3 Recomendación práctica ............................................................................13 3.8.3.1 Parámetros de diseño con medidas Wenner .....................................13 3.8.3.2 Parámetros de diseño – medida indirecta.........................................14 3.9 Resistividades típicas .........................................................................................10 Resumen .................................................................................................................25 Preguntas de autocomprobación ...............................................................................26 Respuestas a las preguntas de autocomprobación......................................................27

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UNIDAD II “RESISTIVIDAD DEL TERRENO Y MEDICIÓN” 1. INTRODUCCIÓN En esta unidad se define la resistividad y sus unidades, se describe al terreno desde su característica de conductor de la electricidad y su resistividad, así como los diferentes factores que influyen directamente en el aumento o disminución de esta resistividad. Analizando el objetivo y la definición de la puesta a tierra de la unidad precedente, se llega a la conclusión que los elementos mas importantes que garantizan una buena puesta a tierra son las uniones metálicas directas entre determinadas partes de una instalación, el electrodo o electrodos en contacto permanente con el terreno y una buena resistividad del terreno. Para saber el comportamiento del terreno tendremos que analizarlo desde el punto de vista eléctrico, como elemento encargado de disipar las corrientes anormales que lleguen a través de los electrodos, es decir, debemos conocer internamente las diversas resistividades del terreno. La realización de una instalación de puesta a tierra requiere conocer previamente el perfil de la resistividad del terreno según la profundidad, de esta forma facilita la elección de la deposición de los electrodos de tierra que proporcione mejores resultados técnico – económicos. Por otro lado, se debe efectuar mediciones para conocer la resistividad del terrero, sin embargo, es práctica usual prescindir de la medición en instalaciones de baja tensión y en lugares cuya intensidad de cortocircuito a tierra sea superior o igual a 16 KA, bastando el examen visual del terreno, pudiéndose estimar la resistividad por medio de la tabla de “resistividades típicas” , en la que se dan unos valores referenciales. Debe resaltarse que la estimación de la resistividad en base a la clasificación del suelo puede dar lugar a grandes errores que obligarían a las pertinentes correcciones posteriores, por lo tanto, debemos apostar o realizar las mediciones ya que es el valor que requerimos y que dependerá de la resistividad de los diferentes estratos y del espesor de cada uno de ellos. Para efectuar una buena medición es necesario seleccionar adecuadamente el equipo de medición, conocer sus partes, los requisitos mínimos que deben cumplir estos equipos y debe verificarse las certificaciones de los ensayos tipos a las cuales se han sometido. Actualmente, existen diferentes métodos de medición y en lo posible se ha tratado de resumir los métodos más efectivos para medir la resistividad del terreno.

Unidad II

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2. OBJETIVOS En esta unidad el participante debe lograr los siguientes objetivo: 1. 2. 3. 4. 5.

Definir la resistividad del terreno. Interpretar las unidades de la resistividad. Identificar los factores que determinan la resistividad del terreno. Seleccionar el equipo apropiado para medir la resistividad de terreno. Diferenciar los métodos de medición de la resistividad del terreno

3. CONTENIDO 3.1. LA RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS La resistividad de los suelos se expresar en Ω–m, Ω–cm ó Ω–mm, que corresponde a la resistencia que presenta un cubo de 1 metro cúbico de suelo o aguas, entre sus paredes laterales (aristas) y se representa por la letra griega ρ.

1m

ρ

Ω Fig 2.1 Resistividad de un cubo de terreno de 1m de arista.

Donde: Dimensiones de ρ:

R=ρ

l s

Ωm 2 ) = Ωm m para un cubo de 1m de lado : ρ 1(m) l(m) = R(Ω) = ρ S(m 2 = ρ 2 ) (1× 1)m 1m despejando ρ , ρ = R(Ω m)

ρ=

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R. S l

⇒(

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Donde : R = Resistencia en ( Ω ) ρ = Resistividad en (Ω . m) l = Longitud en (m) S = Sección en (m2) La resistividad del terreno depende de su naturaleza, estratificación (capas de distinta composición), contenido de humedad, salinidad y temperatura. La resistividad de un terreno también se ve afectado por las variaciones estacionales. Por otro lado, a medida que aumenta el tamaño de las partículas aumenta el valor de la resistividad, por ello la grava tiene mayor resistividad que la arena, y esta mayor resistividad que la arcilla. Debido que las capas no son uniformes en un terreno, cuando se mide la resistividad se esta midiendo la resistividad aparente y por ello amerita determinar la resistividad de cada capa o estrato y sus espesores. 3.2. INFLUENCIAS EN EL COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DEL SUELO La tierra representa generalmente un mal conductor (gran contenido de oxido de silicio y óxido de aluminio que son altamente resistivos) pero gracias al amplio volumen disponible, se puede lograr a través de ella los niveles conductivos necesarios para su utilización auxiliar. La conductividad representa un fenómeno esencialmente electroquímico o electrolítico, y por lo tanto, depende de la cantidad de agua depositada o el nivel de humidificación existente Los suelos están compuestos principalmente, por óxidos de silicio y óxidos de aluminio que son muy buenos aislantes; sin embargo la presencia de sales y agua contenida en ellos, mejora notablemente la conductividad de los mismos. 3.3. FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS En la resistividad del terreno influyen los siguientes factores y es necesario su evaluación: Naturaleza de los suelos. La humedad. La temperatura del terreno. La concentración de sales disueltas. La compactación del terreno. La estratificación del terreno.

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3.3.1.

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NATURALEZA DE LOS SUELOS Los suelos son buenos, regulares o malos conductores de la electricidad en función de su naturaleza. El análisis y conocimiento de esta naturaleza es el primer paso para la instalación adecuada del sistema de puesta a tierra. En la tabla siguiente se muestra los valores característicos de la resistividad de los suelos, donde se puede apreciar que entre la resistividad del agua de mar y el hielo existe una gran diferencia y se puede concluir que el agua de mar es el que presenta la mas baja resistividad y por lo tanto un buen conductor de la electricidad. Tipo de suelo o agua Agua de mar Arcilla Aguas subterráneas Arena Granito Hielo

Valor típico de resistividad (ohm-m) 2 40 50 2000 25000 100000

Tabla 2.1 Resistividades típicas según el tipo de suelo o agua. El Agua de río, de pozos o de mar (con sales disueltas) es buena conductora, poco resistiva, comparable a los buenos terrenos. Los suelos de grano muy fino son buenos conductores por lo general, mejores que los de grano medio, y estos a su vez mejores que los de grano grueso. Los suelos pueden clasificarse según su granulometría en: Arcilla (greda) Arena finísima Arena fina Arena gruesa Cascajo grava Piedra suelta Roca. 3.3.2.

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LA HUMEDAD La resistividad que presenta un terreno esta en relación directa a los porcentajes de humedad contenida en él; es decir, depende de su estado hidrométrico, al aumentar la humedad disminuye la resistividad y al disminuir la humedad aumenta la resistividad. En todo caso siempre que se añade agua a un terreno disminuye su resistividad respecto al que tendría en seco.

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Se dice que el terreno esta “Saturado de agua” cuando todos sus intersticios esta llenos de agua. Una vez pasada la causa de la “saturación” el agua contenida en los espacios entre los diferentes agregados, debido a la gravedad se dirigirá hacia abajo quedando estos ínter espacios ocupados por aire en el interior de los agregados, al ser superior la fuerza de capilaridad que la gravedad. El agua contenida en ellos no se mueve y en estas circunstancias, se dice que el terreno esta “saturado de humedad”. En el siguiente gráfico figura 2.2 se puede observar la variación de resistividad en función de la humedad, en una muestra de arcilla roja, con el porcentaje de humedad contenida.

Rho (Ohm -m)

La La Humedad Humedad

% Humedad 15%

Fig. 2.2 Variación de la resistividad en función al porcentaje de humedad. 3.3.3.

LA TEMPERATURA DEL TERRENO La resistividad de los suelos, también depende de la temperatura, esta característica térmica del terreno depende de su composición, de su grado de compactación y del grado de humedad. La resistividad del terreno aumenta al disminuir la temperatura, pero cuando el terreno se enfría por debajo de cero grados centígrados el agua que contiene se congela. El hielo es aislante desde el punto de vista eléctrico, lo que implica que la movilidad de los iones del terreno a través del agua se ve detenida al congelarse esta. Una forma de amortiguar este efecto en zonas con clima continental (inviernos fríos y veranos calurosos) deberá introducirse los electrodos a mayor profundidad. En el siguiente gráfico, figura 2.3, se puede observar como aumenta la resistividad de un terreno en función del descenso de la temperatura.

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La La Temperatura Temperatura Rho (Ohm -m)

ρ

hielo agua -20 -10

4 0°C

Temp. ( ° C ) 10

50

90 100

Fig. 2.3 Variación de la resistividad del terreno en función de la temperatura. 3.3.4.

LA CONCENTRACIÓN DE SALES DISUELTAS Al presentarse una mayor concentración de sales disueltas en un terreno, mejora notablemente la conductividad y por lo tanto la resistividad. El agua hace que las sales penetren hacia la parte profunda del terreno, hacia la capa de depósito, y que un riesgo excesivo o una lluvias excesivas lavan el terreno y, por lo tanto, arrastran la sal que rodea los electrodos aumentando la resistividad. Tampoco es aconsejable ubicar el electrodo cercano al cause del rio por que son terrenos muy lavados y por lo tanto más resistivos de lo normal. El siguiente gráfico muestra la variación de la resistividad de un terreno en función del porcentaje de sal presente:

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Rho (Ohm -m)

Concentración De Sales

% de Sal 2%

Fig. 2.4 Variación de la resistividad del terreno en función del % de sal. 3.3.5.

LA COMPACTACIÓN DEL TERRENO Cuando la compactación del terreno es grande disminuye la resistividad, por lo tanto es recomendable que exista un buen contacto entre electrodo y el terreno y por lo tanto es necesario una compactación En el siguiente gráfico se muestra cualitativamente la influencia de la compactación del suelo, en la variación de la resistividad.

Rho (Ohm -m)

Compactación Compactación Del Del Terreno Terreno % Humedad W1 W2 W3 Compactación 2%

Fig. 2.5 Variación de la resistividad del terreno en función de la compactación del terreno. Unidad II

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3.3.6.

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LA ESTRATIFICACIÓN DEL TERRENO El suelo esta formado por capas(estratos) que tienen diferentes resistividades y profundidades debido a la formación geológica que son generalmente horizontales y paralelas a la superficie. Existen estratos que se presentan en forma inclinada o verticales debido a fallas geológicas pero para los estudios se asumen horizontales El desconocimiento a priori de la resistividad de las capas inferiores obliga al estudio y medición de las mismas si se requiere conocer el valor de la puesta a tierra a una determinada profundidad. Se puede afirmar que la resistividad a una profundidad de 5 m puede llegar a ser mayor que solamente a una profundidad de 1,5 m por tratarse de un terreno de una capa arcillosa. En la siguiente figura se observa que el comportamiento de la resistividad del terreno no es uniforme y depende de la característica de los estratos y en un caso real se puede dar terrenos con diferentes capas con resistividades y espesores diversos que pueden ser mayor a lo requerido, por lo tanto no tendría éxito la puesta a tierra en esta capa.

ρ

1

> ρ

ρ

2

1

< ρ

2

I

I h

ρ

1

ρ

>> I

2

ρ

1

ρ

ρ

ρ

2

1

< ρ

2

I

I h

ρ

1

ρ

>>

2

I

ρ

1

ρ

a Si b < a

(a)

I V C1

P2

P1

a

a

C2

a

(b) Fig. 2.11 Configuración de Wenner

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En la figura 2.11(a), también se puede observar el método de la configuración de Wenner utilizando un instrumento especifico de cuatro terminales. En la configuración de Wenner, los electrodos de corriente (C) y los electrodos de Potencial (P) pueden tener 3 arreglos alternativos, sin alterar el resultado de la resistividad que se va a medir, siempre y cuando se aplique la expresión adecuada. Estos arreglos son mostrados en la siguiente tabla, siendo el más frecuente utilizado para las mediciones el arreglo C – P – P – C. TABLA 1 Arreglos alternativos en la configuración WENNER C–P–P–C P–C–C–P C–C–P–P P–P–C–C

ρ1 = 2π a R1

ρ2 = 6π a R2

C–P–C–P P–C–P-C

ρ3 = 3π a R3

La configuración de Wenner permite una visualización más rápida de la curva, ya que la resistividad puede ser obtenida en forma más directa a partir de los valores de resistencia R leídos en el instrumento. Por otro lado, se pueden utilizar instrumentos menos sensitivos que en la configuración Schlumberger, ya que a medida que se alejan los electrodos también lo hacen los de potencial.

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3.5.2.2

Configuración de Schlumberger Para esta configuración los cuatro electrodos se colocan también en línea recta, manteniendo la separación entre electrodos centrales o de potencial (a) constante; mientras que los electrodos exteriores varían su separación a partir de los electrodos interiores, a distancias múltiplos (na) de la separación base de los electrodos centrales (a), Fig. 2.12 La ecuación fundamental para este caso es:

ρa

sch

= π R.n(n+1) a

Algunas de las ventajas de esta configuración son la rapidez con que se realizan las mediciones y la menor sensitividad a las variaciones laterales del terreno, debido principalmente a que sólo se desplazan los electrodos de corriente, permaneciendo en su lugar los de potencial.

I V C1

P2

P1

na

a

C2

na

Fig. 2.12 Configuración de Schlumberger.

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3.8.3.

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RECOMENDACIÓN PRÁCTICA En la práctica se puede adoptar por los siguientes criterios: 3.5.3.1

Parámetros de diseño con medidas Wenner Siendo restringido el espacio útil disponible para las medidas de resistividad aparente y riguroso el procesamiento formal de las magnitudes obtenidas para este caso particular se opta por un procedimiento expeditivo que permite la estimación gruesa de la resistividad de diseño. Aplicando el método Wenner, se harán dos sondeos de medida (Fig. 2.13) para obtener (ρia) cada uno con el despliegue de (04) electrodos clavados en suelo (C1, P1, P2, C2) firme a 0,1 m de profundidad y espaciados en línea recta a una misma distancia (a) de 1,0 m y luego 2,0 m Procedimiento y Ejemplo Sea un suelo de alta resistividad, típico en las ciudades de la costa (ejemplo). -

El espacio útil para medidas deberá tener por lo menos un radio de 3,0 m (Fig.2.14)

-

1° sondeo: Se obtiene (ρ1ª = 326 Ω-m) para una distancia (a=1,0 m)

-

2° sondeo: se obtiene (ρ2ª = 288 Ω-m)para una distancia (a=2,0 m)

-

La resistividad de diseño a (1,5 m) de profundidad se estima en:

ρ=

ρ1a + ρ1a 326 + 288 = = 307 Ω − m 2 2

Fig. 2.13 Esquema de medidas de Wenner

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Fig. 2.14 Sondeos de medida Wenner en reducido espacio útil

3.5.3.2

Parámetros de Diseño – Medida Indirecta Considerando idénticas restricciones de espacio útil, se puede aplicar la medida de la resistencia de dispersión (R) de un electrodo (l = 1,2 m; d= 0,013 m) Explorador de fierro clavado a 1,0 m de profundidad para evaluar la resistividad de diseño en valor equivalente. Esta alternativa muchas veces no se posibilita por la dificultad del clavado. (Fig. 2.15) Aplicando el método de caída de potencial (Fig. 2.16) se harán dos medidas (Ri) al electrodo explorador (C1) con dos despliegues de electrodos (P2, C2) clavados en suelo firme (a 0,15 m de profundidad) ambos en línea recta radial con la que se calcula finalmente: ρi = 1,10 Ri Procedimiento y Ejemplo Tomando el mismo caso anterior:

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-

El espacio útil para medidas deberá tener al menos (6,0 m) de largo. (Fig. 2.17)

-

1a. Medida: se calcula (ρa = 295 Ω - m) para (d = 5,0 m, p=3,0 m y Ra = 236 Ω)

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-

2da. Medida: se calcula (ρb = 305 Ω - m) para (d= 6,0 m, p=3,7 m y Rb = 244 Ω)

-

La resistividad de diseño a (1,5 m) de profundidad resultará:

ρ=

ρ a + ρb 295 305 = = 300 Ω - m 2 2

Para las medidas, el suelo tendrá que presentar su sequedad usual; el grass o las hierbas menudas serán retirados en la base de los electrodos; en suelos totalmente secos, se vertirá un poco de agua en el hueco de dichos electrodos clavados, en caso de no poder medir, asumir: ρ = 300 Ω - m

M A RTILLO PESA D O

PEN ETRAC IO N M IN IM A

1m

ELEC TRO D O EXPLO RA D O R

ESTRATO SU AVE PEN ETRAC IO N FA C IL

ESTRATO D URO PEN ETRAC IO N D IFIC IL

Fig. 2.15 Clavado del electrodo explorador

Fig. 2.16 Esquema de medida indirecta

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Fig. 2.17 Despliegue de medidas indirectas

3.9. RESISTIVIDADES TÍPICAS El código nacional de electricidad Tomo I prescripciones generales, detalla las resistividades de los diferentes terrenos y en todo caso son valores referenciales durante el desarrollo de este curso: NATURALEZA DEL TERRENO Terreno pantanoso Limo Humos Turba Húmeda Arcilla Plástica Margas y arcillas compactas Margas de jurásico Arena arcillosa Arena silícea Suelo pedregoso cubierto de césped

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RESISTIVIDAD Ohmios-m Hasta 30 20 A 100 10 A 150 5 A 100 50 100 30 50 200 300

A A A A A

200 40 500 3000 500

Suelo pedregoso desnudo Caliza blanda Caliza compacta Caliza agrietada Pizarra

1500 A 100 A 1000 A 500 A 50 A

3000 300 5000 1000 300

Rocas de mica y cuarzo Granito y gres procedentes de alteración Granito y gres muy alterados

800 1500 A 10000 100 A 600

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Los valores medios de resistividad de terrenos se muestran en el siguiente cuadro: NATURALEZA DEL TERRENO Terrenos cultivables y fértiles, terraplenes compactos y húmedos Terreno cultivables poco fértiles, terraplenes en general Suelos pedregosos desnudos, arenas secas permeables

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VALOR MEDIO DE LA RESISTIVIDAD Ohm - m 50 500

3000

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4. RESUMEN Es muy importante conocer la resistividad del terreno ya que depende de ello para que la resistencia de puesta a tierra se conserve dentro del valor deseado. Los diferentes factores que influyen en el comportamiento del suelo desde el punto de vista de su resistividad son: La naturaleza del terreno, la humedad, la temperatura del terreno, la concentración de sales disueltas, la compactación del terreno y la estratificación del mismo. Entre los otros factores que pueden influenciar la resistividad del terreno esta la corriente que circula por el electrodo de puesta a tierra durante la falla que depende del contacto entre el electrodo y el terreno, una pobre unión entre terreno y electrodo frente al paso de la corriente de falla que generan potenciales que pueden acelerar el deterioro del electrodo. El otro factor es la cantidad de calor que se genera, dado que toma dos trayectorias el que es absorbido por el volumen de terreo y las capas circundantes mas frías, circulando a través del terreno; este calentamiento puede alcanzar hasta 100o C, haciendo que la toma de tierra pierda su poder de evacuación y tienda a subir su potencial, obviamente esto se puede evitar haciendo que la causante de este calentamiento sea eliminado en el menor tiempo posible por los dispositivos de protección. Las resistividades típicas de los terrenos se presentan en las normas y por ello se han tomado como valores referenciales para el desarrollo del presente curso. Si se desea conocer la resistividad del terreno, es preciso diferenciar que existen dos tipos de estratos: Estrato superficial y estrato subyacente. Por lo tanto es necesario conocer la resistividad de cada estrato y su espesor respectivo, ello nos permite ubicar adecuadamente la instalación de puesta a tierra, o en algunos casos solo bastara con una inspección del terreno y por tablas conocer la resistividad. La selección del equipo para la medición implica conocer las partes, es decir, si es a manivela, analógico o digital, si cuenta con microprocesador y si, sus resultados se pueden imprimir, además debe cumplir con los ensayos tipos y tener las certificaciones respectivas. Debe tenerse en cuenta las precauciones y no efectuar estas en situaciones no recomendados ya que ello influirá en los resultados. Para la medición de la resistividad se puede utilizar el método voltímetro y amperímetro, o un instrumento de propósito especifico, los que se pueden usar con el uso de tres electrodos o cuatro electrodos, el método mas común y de aplicación practica es el de cuatro electrodos configuración de Wenner.

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5. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. ¿Por qué es necesario conocer los factores que influyen en la resistividad del terreno? 2. ¿Qué es resistividad del terreno? 3. ¿En que unidades se expresa la resistividad? 4. ¿Cómo influye la naturaleza de los suelos en la resistividad del terreno? 5. ¿Qué ocurre con la resistividad a 0 o c ? 6. ¿Cómo influyen la cantidad de sales en la resistividad del terreno? 7. ¿Es recomendable compactar el terreno y por que? 8. ¿Por qué es necesario conocer los diferentes estratos del terreno? 9. ¿Por qué es necesario conocer la resistividad y su espesor del terreno? 10. ¿Cómo se puede saber la resistividad del terreno? 11. ¿Qué característica tiene el estrato subyacente en un terreno? 12. ¿Cómo se elimina las corrientes parásitas en un instrumento que utiliza batería? 13. ¿Qué ensayos debe tener los instrumentos de medida? 14. ¿Cuál es la diferencia entre el método de tres electrodos y cuatro electrodos?

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6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. El terreno está compuesto por diferentes elementos químicos, por lo tanto, presenta diferentes valores de resistividad a diversas profundidades, y si se desea utilizar el terreno como medio para disipar las corrientes de falla, es necesario un buen conocimiento de su comportamiento ante estos eventos. 2. Es la característica del terreno de comportarse ante el paso de la corriente eléctrica y se mide en Ω-m, y se representa en “ρ”. 3. Se expresa en Ω-m, Ω-cm, Ω-mm, siendo el mas utilizado el Ω-m. 4. Tiene una influencia inversa al contenido de agua. 5. A partir de cero grados la resisitividad se incrementa notablemente y antes de este valor también es mayor pero es mas amortiguado a medida que se incrementa la temperatura. 6. El comportamiento de la resistividad está en función directa a la concentración de sales en el terreno. 7. Si, cuanto mas compacto es el terreno, la resisitividad es menor. 8. Porque el terreno está formado de diversos estratos y estás tienen resistividades diferentes según su profundidad. 9. Para la ubicación técnica y económica del electrodo de puesta a tierra. 10. De dos formas: mediante tablas y por mediciones. 11. Esta constituido por conglomeraciones finos y pedregosos en la costa, así como rocosos y pedregosos en la sierra y selva alta. 12. Mediante el rectificador estático que rechaza las corrientes de frecuencia diferente al de corriente de prueba. 13. Los ensayos son: aislamiento, compatibilidad electromagnética, climáticos, mecánicos, clase de precisión y fabricación. 14. El método de cuatro electrodos utiliza menor espacio y es de aplicación practica.

Unidad II

Pag. 27

UNIDAD

III

Cálculo de la resistencia de puesta a tierra

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Indice

Índice Unidad III: “CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE PUESTA TIERRA” 1. 2. 3.

4. 5. 6.

Introducción....................................................................................................... 1 Objetivos...... ..................................................................................................... 2 Contenido de curso............................................................................................. 2 3.1. Generalidades ............................................................................................ 2 3.2. Geometría de los electrodos........................................................................ 4 3.2.1 Electrodos verticales (jabalinas) ....................................................... 4 3.2.1.1 Jabalina enterrada sobre superficie........................................... 4 3.2.1.2 Jabalina enterrada a partir de una profundidad “T”.................... 6 3.2.1.3 Resistencia a tierra de dos o más jabalinas en paralelo .............. 7 3.2.1.4 Influencia de la configuración y el espaciamiento de electrodos (jabalinas) ..............................................................................10 3.2.2 Electrodos horizontales ...................................................................11 3.2.2.1 Dos conductores en ángulo recto ............................................12 3.2.2.2 Configuración en estrella con tres puntos.................................12 3.2.3 Resistencia de malla .......................................................................13 3.2.3.1 Cálculo de la resistencia de malla ............................................13 3.2.3.2 Tensiones presentes en mallas de tierra ..................................14 3.3 Electrodos de puesta a tierra óptimos.........................................................17 3.3.1 Electrodos verticales .......................................................................17 3.3.2 Electrodos horizontales ...................................................................18 3.4 Resistencias de dispersión .........................................................................19 3.4.1 Resistencia de dispersión (Rj) de un electrodo vertical ......................19 3.4.2 Resistencia de dispersión (Rp) de un electrodo horizontal ..................20 3.4.3 Resistencias de dispersión...............................................................21 Resumen...........................................................................................................23 Preguntas de autocomprobación.........................................................................24 Respuestas a las preguntas de autocomprobación ...............................................25

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UNIDAD III “CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA” 1. INTRODUCCIÓN Uno de los parámetros más importantes que caracteriza una puesta a tierra es el valor de su resistencia. Se define este como el cociente entre el potencial adquirido por ella y la corriente conducida a tierra.

R=

U If

Debido a que existen diferentes espesores de los estratos y con resistividades diferentes cada uno, a fin de obtener un valor bajo de resistencia, es necesario conocer el tamaño y la forma del electrodo a enterrar, ya que de ello dependerá su resistencia. Para una comparación económica entre las diferentes configuraciones de puesta a tierra, se requieren expresiones analíticas que relacionen todos los parámetros de la puesta a tierra. Tales expresiones deben ser utilizadas adecuadamente para cada configuración, teniendo en cuenta sus limitaciones porque son el resultado de las aplicaciones de los conceptos de la teoría de campo o del método de potenciales promedios, que asume una densidad de carga uniformemente distribuido en todo el sistema de puesta a tierra de la misma manera que la resistividad del suelo. Una forma de determinar teóricamente la resistencia de puesta a tierra es por analogía con la capacitancia a tierra del sistema de electrodos, la cual está basada en el hecho que el flujo de corriente a tierra de un sistema de electrodos, tienen la misma trayectoria como la emisión de flujo eléctrico de una configuración similar de conductores teniendo cargas aisladas, entonces:

R=

ρ 2π

1   C

Donde “C” es la capacitancia del sistema de electrodos considerando su imagen con respecto a la superficie de la tierra. Por lo tanto, el problema de calcular resistencia de puesta a tierra queda reducido a determinar la capacitancia de cualquier configuración de puesta a tierra y su imagen. La resistencia de puesta a tierra se calculará para configuraciones de electrodos verticales, horizontales, mallas y sistemas conjuntos. Se presenta finalmente el cálculo optimizado de electrodos tanto verticales, horizontales y sus resistencias de dispersión.

Unidad III

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2. OBJETIVOS •

Calcular la resistencia de puesta a tierra para las diferentes configuraciones de electrodos.

•

Determinar la resistencia de puesta a tierra optimizada de los electrodos.

•

Diferenciar la tensión de paso y la tensión de toque en un sistema de puesta a tierra.

•

Identificar las resistencias de dispersión en los electrodos verticales y horizontales.

3. CONTENIDO DE CURSO 3.1. GENERALIDADES El cálculo de la resistencia de puesta a tierra involucra el cálculo de la misma resistencia a tierra, ya sea de un electrodo elemental, una combinación simple de electrodos, una combinación compleja de electrodos (malla de tierra) o de mallas de tierra interconectadas. En general, los electrodos elementales que conforman la mayor parte de las puestas a tierra, son: la barra enterrada verticalmente en el terreno y el conductor horizontal embebido en el terreno. Los electrodos, tales como el anillo y la plancha metálica dispuesta sobre la superficie del terreno, se utilizan casi exclusivamente como complementos de una puesta a tierra para controlar gradientes de potencial sobre el terreno y despreciándose, la mayoría de las veces su influencia sobre la resistividad total. La esfera y semiesfera, salvo algún caso particular, no se usan en absoluto y la plancha metálica embebida implican suposiciones y aproximaciones que deben ser aceptadas a falta de métodos más exactos. Las prácticas y comprobaciones en modelos dan como resultado que estas aproximaciones pueden considerarse aceptables. En términos generales, un error del ± 20% entre lo calculado y lo obtenido es satisfactorio. La resistencia de puesta a tierra total tiene tres componentes (Fig. 3.1):

Pág. 2

•

La resistencia del conductor conectado al sistema de puesta a tierra, que está en función de su resistividad, longitud y sección.

•

La resistencia de contacto entre la superficie del electrodo y el suelo, este valor es usualmente pequeño si el electrodo está libre de pintura o grasa, esto se elimina efectuando un buen contacto entre el electrodo y tierra.

•

La resistencia de la tierra alrededor del electrodo que es la resistencia principal que influirá en la resistencia total de la puesta a tierra.

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b

r

L

a

c

Fig. 3.1 Componentes de la resistencia de puesta a tierra.

R =p Donde: ρ : L : A :

L A

resistividad del terreno. longitud del electrodo. área de la semiesfera equivalente.

Si una esfera de radio x, tiene el espesor dx, entonces la resistencia dR del elemento es: dR =

ρ dx 2 π x2

Siendo la resistencia hasta una distancia x de:

R=∫

r1 r

ρ dx ρ 1 1   −  = 2 2π  r r1  2π x

si r1 = ∞ la resistencia total será:

R 00 =

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ρ 2π r

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3.2. GEOMETRÍA DE LOS ELECTRODOS A continuación de deducirá la resistencia de puesta a tierra de las configuraciones más típicas y más utilizadas. 3.2.1.

ELECTRODOS VERTICALES (Jabalina) 3.2.1.1 JABALINA ENTERRADA SOBRE LA SUPERFICIE Considerando una jabalina de longitud “L”, diámetro “2a" junto son su imagen sobre la superficie de la tierra. (Fig. 3.2)

2a

dx

L

y x Superficie

L

Fig. 3.2 Modelo de jabalina enterrada, en la superficie y en imagen.

El problema electrostático consiste en calcular la capacitancia, asumiendo una carga uniforme sobre la superficie, esto significa calcular el potencial promedio sobre el electrodo. Suponiendo que la carga asumida es en centímetros de longitud, entonces la carga en el segmento dy es qdy. El potencial en cualquier punto P debido a esta carga es: Potencial =

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qdy a2 + y 2

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Para obtener el potencial total, se integra entre y=0 a y=(1-x) y también de y=0 a y=(1+x) dx e integrando de x = 0 a x = 1, el potencial L V 4L promedio será : = Ln ( 1) 2q a y multiplica do por

La capacitancia de: 1 1 4L V = = (Ln - 1) y la resistenci a por analogía será : C 2 qL L a R=

ρ  4L  − 1  Ln 2π L  a 

También se pueden utilizar otras expresiones como:

R =

p 2

L

arc

R=

senh

(

2L d

)

ρ 2L Ln 2π L a

Donde: ρ: resistividad del terreno (Ω - m). L: longitud de la barra en (m). A: radio de la barra en (m). logaritmo natural. Ln: R: resistencia en (Ω). d: 2a. La diferencia entre una y otra para las longitudes y radios normales no es mayor del 6%. Aplicación 1 Una barra de cobre de 2,4 m de longitud, 8 mm de radio, en un terreno de resistividad equivalente 100 (Ω - m) tiene una resistencia de puesta a tierra de:

R=

100   4 x 2,4    − 1 = 40,38 Ω Ln 2 π × 2,4   8 x 10 -3  

R=

100   2 x 2,4   = 42,42 Ω Ln 2 π × 2,4   8 , 10 -3 

Como se puede observar la diferencia es 2,42 Ω que representa 5% de error. Unidad III

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Aplicación 2 Determinar la resistencia de puesta a tierra de una barra en las siguientes condiciones, longitud = 2 m; ρ = 100 Ω - m el radio de la barra 8 mm.

R=

3.2.1.2

100   4 x 2   Ln  − 1 = 47,01 Ω 2 π × 2   8 x 10 -3  

JABALINA ENTERRADA A PARTIR DE UNA PROFUNDIDAD “T”. En la mayoría de los casos no se encuentran enterradas a partir de la superficie del terreno, sino a partir de una profundidad t, como se muestra en la Fig. 3.3.

Superficie t 2a

L

Fig. 3.3 Electrodo vertical enterrado a una profundidad t.

La resistencia será:

R=

 L 3 L + 4t  ρ  Ln 2 π L  a L + 4t 

Nota: el objetivo de enterrar una distancia “t” al electrodo debajo de la superficie es para disminuir los posibles gradientes de potencial sobre la superficie del terreno en los contornos de la barra.

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Aplicación 3 Para la aplicación 2, calcular la resistencia sabiendo que la jabalina está a 30 cm debajo de la superficie. R =

 100 2 Ln  -3 2π ×2  8 x 10

3x 2 + 4 x 0,3 2 + 4 x 0,3

  = 47,1 Ω  

Como se puede observar se obtiene el mismo valor de resistencia, pero el gradiente de potencial en la superficie del terreno será menor. 3.2.1.3

RESISTENCIA A TIERRA DE DOS O MÁS JABALINAS EN PARALELO Si bien el objetivo es disminuir la resistencia equivalente, esto se logra teniendo un espaciamiento mínimo entre jabalinas igual al doble de su longitud con el fin de evitar zonas de interferencia como se observa en la Fig. 3.4

Traslape

Fig. 3.4 Zonas de interferencia (traslape), cuando los electrodos no están espaciados suficientemente.

Unidad III

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Resistencia de tierra de 2 jabalinas separadas a una distancia D, como se observa en la Fig. 3.5

D 2a

b

L

Fig. 3.5 Dos electrodos de puesta a tierra.

R2 =

 (b + L ) 2 − D 2 ρ Ln  2 4π L  D - (b + L) 2

  

Haciendo D = 2L

R2 =

ρ  10,47 L - 2  Ln  4π L  2 - 1,53 L 

Se puede obtener un índice de reducción de resistencia igual a: K=

R 2 electrodo R 1 electrodo

Considerando el mismo criterio se puede calcular la resistencia equivalente para varias jabalinas en paralelo de longitud y espaciamiento iguales, así como el índice de reducción como se observa en la tabla 1.

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Tabla 1: Resistencia de puesta a tierra de electrodos paralelos, alineados e igualmente espaciados (L=2,4m, φ = 5/8 pulg. R1 = 0,425ρ y φ = 3/4 pulg. R2 = 0,413ρ) Tabla 1.a

L = 2,4 m Separación Número de Jabalinas 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

d=

5" 8

R 1 = 0,425 pa

2,5 mm K Req [Ω]

3m K Req [Ω]

4m K Req [Ω]

5m K Req [Ω]

0,241 pa

0,566

0,237 pa

0,557

0,231 pa

0,511

0,228 pa

0,536

0,173 pa

0,408

0,169 pa

0,397

0,163 pa

0,383

0,159 pa

0,374

0,137 pa

0,324

0,133 pa

0,313

0,127 pa

0,298

0,123 pa

0,289

0,115 pa

0,270

0,110 pa

0,260

0,105 pa

0,246

0,101 pa

0,237

0,099 pa

0,233

0,095 pa

0,223

0,089 pa

0,210

0,086 pa

0,202

0,087 pa

0,206

0,083 pa

0,196

0,078 pa

0,184

0,075 pa

0,176

0,078 pa

0,185

0,075 pa

0,176

0,070 pa

0,164

0,066 pa

0,156

0,071 pa

0,168

0,068 pa

0,159

0,063 pa

0,148

0,060 pa

0,141

0,065 pa

0,154

0,062 pa

0,140

0,057 pa

0,135

0,054 pa

0,128

0,060 pa

0,142

0,057 pa

0.134

0,053 pa

0,124

0,050 pa

0,118

0,056 pa

0.132

0,053 pa

0,125

0,049 pa

0,115

0,046 pa

0,109

0,053 pa

0,124

0,050 pa

0,117

0,046 pa

0,107

0,043 pa

0,101

0,049 pa

0,117

0,047 pa

0,110

0,043 pa

0,101

0,040 pa

0,095

0,047 pa

0,110

0,044 pa

0,103

0,040 pa

0,095

0,038 pa

0,089

Tabla 1.b

3" d= 4

L = 2,4 m Separación Número de Jabalinas 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

R 1 = 0,413 pa

2,5 mm K Req [Ω]

3m K Req [Ω]

4m K Req [Ω]

5m K Req [Ω]

0,235 pa

0,568

0,231 pa

0,559

0,225 pa

0,546

0,222 pa

0,537

0,169 pa

0,410

0,165 pa

0,399

0,159 pa

0,384

0,155 pa

0,375

0,134 pa

0,326

0,130 pa

0,315

0,124 pa

0,300

0,120 pa

0,290

0,112 pa

0,272

0,108 pa

0,262

0,102 pa

0,217

0,098 pa

0,238

0,097 pa

0,235

0,093 pa

0,225

0,087 pa

0,211

0,084 pa

0,203

0,086 pa

0,208

0,082 pa

0,198

0,076 pa

0,185

0,073 pa

0,177

0,077 pa

0,186

0,073 pa

0,177

0,068 pa

0,165

0,065 pa

0,157

0,070 pa

0,169

0,066 pa

0,160

0,061 pa

0,149

0,058 pa

0,142

0,064 pa

0,155

0,061 pa

0,147

0,056 pa

0,136

0,053 pa

0,129

0,059 pa

0,144

0,056 pa

0,136

0,052 pa

0,125

0,049 pa

0,119

0,055 pa

0,134

0,052 pa

0,126

0,048 pa

0,116

0,045 pa

0,110

0,052 pa

0,125

0,049 pa

0,118

0,045 pa

0,108

0,042 pa

0,102

0,049 pa

0,118

0,046 pa

0,111

0,042 pa

0,101

0,039 pa

0,096

0,046 pa

0,111

0,043 pa

0,104

0,039 pa

0,096

0,037 pa

0,090

Del cuadro se puede apreciar que el índice de reducción para 4 electrodos es de 32% y se obtiene una notable reducción hasta 6 electrodos y a partir de ello se satura la disminución de la resistencia equivalente con el aumento del número de electrodos en paralelo, como se puede apreciar en la siguiente gráfica.

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0.5

0.44

Resistencia equivalente

0.4 0.3

0.244

0.2

0.174

0.136

0.1

0.113

0.097

0.085

0 1

2

3

4

5

6

7

Numero de electrodos en paralelo Fig. 3.6 Curva resistencia equivalente en función del número de electrodos en paralelo. En consecuencia: para evitar la saturación en la disminución de la resistencia con el aumento de electrodos en paralelo, debe evaluarse si se justifica económicamente. Una recomendación práctica es no poner mas de 6 electrodos en paralelo.

3.2.1.4 INFLUENCIA DE LA CONFIGURACIÓN ESPACIAMIENTO DE ELECTRODOS (JABALINAS)

Pág. 10

Y

EL

-

Diámetro del electrodo: la resistencia a tierra no disminuye considerablemente con el aumento del diámetro de la jabalina un incremento el doble el diámetro, la resistencia disminuye sólo al 11%.

-

Efecto de espaciamiento y de longitud: si dos electrodos están ubicados muy próximos uno de otro, hay interferencia de campos eléctricos entre ellos y aumenta el valor de la resistencia, una separación menor que el doble de su longitud no es aconsejable.

-

El aumento del número de electrodos, como se observó cuando se incrementa mucho el número de electrodos, debido al efecto “mutuo”, la resistencia a tierra aumenta, es decir, hay una cierta saturación, lo mismo sucede con la separación entre ellos. Habrá siempre un valor bajo el cual la resistencia aumenta y encima del cual la influencia de disminución es mínima.

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3.2.2.

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ELECTRODOS HORIZONTALES La resistencia de aterramiento de un conductor o electrodo enterrado horizontalmente en el suelo a una profundidad “h” metros será: 2 4 ρ   2 L2 2h h 1  h   R= −2+ −   +   Ω Ln L L 2  L   2 π L   a h

Donde: R L a n

: : : :

resistencia en (Ω). longitud en (m). radio del electrodo en (m). profundidad de enterramiento en (m).

También se puede utilizar:

R=

ρ 2 L2 Ln en Ω 2πL a•h

h 2a

L

Fig. 3.7 Electrodo horizontal enterrado a una profundidad “h”.

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Se pueden enterrar electrodos con diferentes configuraciones como se observa en la Fig. 3.8

Fig. 3.8 Configuraciones horizontales de conductores.

3.2.2.1 DOS CONDUCTORES EN ÁNGULO RECTO (FIG. 3.8.a)

R=

2 4 ρ   L2  h h h   − 0,2373 + 0,8584 + 1,656  − 10,85    Ln L 2 π L   2 a h  L  L  

3.2.2.2 CONFIGURACIÓN EN ESTRELLA CON TRES PUNTOS (FIG. 3.8.b)

R=

2 4 ρ   L2  h h h   − 1,077 − 0,836 + 3,808   − 13,824    Ln L 3 π L   2a h  L  L  

Aplicación 4 Hallar la resistencia de puesta a tierra para configuraciones expuestas si se dispone de 60 m de conductor de diámetro 6 mm, enterrado a 60 cm debajo de la superficie, en un suelo cuya resistividad aparente es igual a 1000Ω- m; aplicando la fórmula se tiene: Configuración 1 electrodo 2 electrodos en ángulo recto Estrella

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Resistencia (Ω) 35,00 64,77 67,23

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3.2.3.

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RESISTENCIA DE MALLA Otra forma de configurar una puesta a tierra es mediante una malla entrelazada por conductores de cobre, la unión de los puntos de la malla debe ser tal que no exista calentamiento en dicha unión, con ello se pueden lograr resistencias más bajas que en las configuraciones anteriores. 3.2.3.1 CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE MALLA Según la fórmula experimental de “Laurent”, se tiene la siguiente fórmula para el cálculo de puesta a tierra de una malla:

R=

ρ ρ (Ω) + L 4 s π

Donde: ρ s L

: : :

resistividad (Ω - m). superficie que cubre la malla (m2). longitud total de conductor de la malla (m).

Fig. 3.9 Puesta a tierra tipo malla.

Aplicación 5 En un terreno de 100 Ω-m de resistividad equivalente, una malla de 10 x 10 m2, como se muestra en la Fig. 3.10

R=

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100  10 x 10   4 π  

+

100 ≡ 6,1Ω 60

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10m

10m

Fig. 3.10 Malla de puesta a tierra de 10 x 10 m2.

3.2.3.2 TENSIONES PRESENTES EN LAS MALLAS DE TIERRA Consideramos una malla formada por “n” conductores dispuestos en cada dirección con separación uniforme “D” entre ellos, enterrada a una profundidad fija “h” metros, siendo “L” la longitud total de conductor enterrado. En el momento en que la falla difunde una corriente de I Amperes al terreno, una persona puede quedar expuesta a los siguientes voltajes de riesgos (Fig. 3.11 a) •

Tensión de paso (Vp). Corresponde a la diferencia de potencial entre dos puntos ubicados sobre la superficie del suelo, separados a una distancia de un metro:

Vp = K s K i ρ e

I (Volts) L

K i = 0,65 + 0,172 n Donde: 1 1  1 1 1 1 + + + + ... + Ks = π (n - 1)D + h   2h D + h 2D + h 3D + h

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•

Tensión de contacto o toque. La tensión de contacto mano – pie corresponde a la diferencia existente entre el potencial de un punto sobre la superficie del terreno y el potencial que adquiere un conductor metálico unido a la malla. Para su estimación, se utiliza la expresión correspondiente al máximo posible o tensión de contacto.

Vm = K m K i ρ e

I (volts) L

Donde: 1 1  D3  2n - 3   3 5  + Ln • .......... K m = π  Ln  2n - 2  4 4  2  16hd 

VC

Vp

Fig. 3.11( a ) Tensión de paso y contacto(toque).

Estas tensiones presentes en la superficie del terreno sobre una malla de tierra que difunde una corriente de falla, no deben superar en ningún caso las tensiones tolerables por el cuerpo humano. La máxima diferencia de potencial a que puede ser sometido el cuerpo humano, en base a los posibles puntos de contacto se calcula mediante las expresiones:

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a. Máxima tensión de paso tolerable:

Vp =

116 + 0,696 cρ s t

(volts)

b. Máxima tensión de contacto tolerable:

Vc =

116 + 0,174 cρ s t

(volts)

En donde: ρ [Ω-mt]: t [seg] : c :

resistividad de la capa superficial. tiempo global de exposición. factor de corrección debido a la presencia de la capa superficial resistiva. En la práctica se estima c = 1.

Los límites de diseño se han establecido como tensiones y para llegar a los límites apropiados, es necesario considerar la impedancia a través del cuerpo humano, la resistencia de contacto de la mano, la resistencia del calzado y la resistividad del material superficial bajo el calzado. Suponiendo: 100 1000 4000 300

Ohm Ohm Ohm Ohm

– metro la resistividad del suelo. para la impedancia del ser humano. de impedancia para el calzado. resistencia de contacto de la mano.

Se tienen los límites mostrados en la Fig. 3.11 (b)

Tensión de contacto permitido (v)

10000

1000 Con gravilla

100

Sin gravilla

10

1 Tiempo de despeje de falla (s) Fig. 3.11( b ) Potenciales de contacto permitidos.

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3.3. ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA ÓPTIMOS A partir de la disponibilidad de espacio y la resistividad de diseño, se define el tipo y la forma de la instalación del electrodo de puesta a tierra, que deberá ser preferentemente de cobre electrolítico macizo por su alta resistencia al ataque corrosivo del suelo que otros materiales, aún con protección de superficie, no pueden asegurar su tiempo promedio de vida. 3.3.1.

ELECTRODOS VERTICALES Existe en el mercado, varillas de cobre temple duro ya cortadas en longitudes estandarizadas de 2,0; 2,5; 3,0 y 3,5 m con diámetros a escoger de 0,013 y 0,019 m; se elige el tamaño más comercial que tiene 2,5 m de longitud (2,44 real) con 0,013 ó 0,019 m de diámetro; el cual puede optimizarse con el relleno en el pozo según el modelo analítico (Fig. 3.12), con (ro →R)

dr ρr R dr d R rj = ρ r = r dS 2 πL1 r∫O R rj = rO : R : L :

ρr R Ln 2π L rO radio del electrodo, (m). radio optimizado – pozo, (m). longitud del electrodo, (m).

R

d r

ro ELEC TRO D O D E C O BR E

SU ELO N ATU RA L RELLEN O C O N D UC TO R

d = 2 ro

Fig. 3.12 Optimización del electrodo vertical con relleno en pozo.

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3.3.2.

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ELECTRODOS HORIZONTALES Las pletinas de cobre, existen en el mercado a partir de 3,0 m de longitud, con secciones diferentes; la más adecuada será (0,003 m x 0,04 m); deberá hacerse un hueco con un taladro de 0,013 m de diámetro en uno de los extremos. En caso de escasez se podrá utilizar un conductor de cobre desnudo de 100 mm2 temple semiduro o blando. El modelo también puede ser optimizado con el relleno en una zanja (Fig. 3.13) considerando (ro →R)

dR rp

dr ρr R dr = ρr = r dS 2π L ∫rO

R rp =

ρr R Ln 2π L ro

Donde: ro : R : L :

radio del electrodo, (m). radio optimizado – zanja, (m). longitud del electrodo, (m).

El suelo subyacente en las zonas habitadas del país es pedregoso por su filiación aluvial o diluvial, por tanto el clavado de electrodos verticales para puesta a tierra no es viable, para su instalación nos obliga a excavar un pozo y para electrodos horizontales, una zanja que se aprovechan para reponer las sales naturales ausentes conformado el relleno con la misma tierra fina del sitio y tierra adicional, mezclándolas con un aglutinante también natural, de granulometría fina, conductivo, no corrosivo e higroscópico.

L h ELEC TRO D O D E C O BR E

A

h

H D = 2 ro R d r

B

RELLEN O C O N D UC TO R SUELO N ATURA L

Fig. 3.13 Optimización del electrodo horizontal con relleno en zanja.

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3.4. RESISTENCIAS DE DISPERSIÓN La dispersión de las corrientes en el suelo, mediante electrodos de gran superficie (circulares, cuadrangulares, esféricos, ortogonales, etc.), puede lograrse también con electrodos simples y económicos, optimizando su geometría mediante una instalación que aproveche las excavaciones para incluir rellenos y tratamientos del suelo. 3.4.1.

RESISTENCIA DE DISPERSIÓN (Rj) DE UN ELECTRODO VERTICAL Se calcula con la siguiente expresión:

Rj = Donde: ρr ρ L D d

: : : : :

ρr ρ 4L D Ln Ln + D d 12 π 2π L

resistividad del relleno = 5 (Ω-m). resistividad del diseño, (Ω-m). longitud de electrodo, (m). diámetro del pozo = 2 R (m). diámetro del electrodo = 2 ro (m).

Ejemplo: Para los datos de la puesta a tierra de electrodo vertical propuesto Fig. 3.14, con la resistividad de diseño ya establecida (ρ = 300 Ω-m) se obtiene:

5 1,0 300 4 × 2,5 + Ln Ln 15,7 0,013 94,2 1,0 R j = 1,38 + 7,33 = 8,7 Ω Rj =

Fig. 3.14 Resistencia de dispersión del electrodo vertical.

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En caso de requerir bajas resistencias de dispersión en edificios con áreas libres físicamente separadas; a partir del primer pozo ejecutado, se pueden adicionar, hasta tres pozos a (6 m) o más uno de otro, que serán unidos al tablero eléctrico mediante el conductor de conexión dentro de los ductos existentes, pudiendo obtener como mínimo de 3 a 4 Ohm. Fig. 3.15 -

Para dos electrodos: Para tres electrodos: Para cuatro electrodos:

R2j= R3j= R4j=

0,60 Rj Ω 0,45 Rj Ω 0,35 Rj Ω

Cualquiera que fuese la forma del electrodo instalado en la excavación, las características conductivas y geométricas del relleno higroscópico en contacto con el suelo natural permiten obtener una baja resistencia total de dispersión.

Fig. 3.15 Conexión de electrodos verticales en paralelo.

3.4.2.

RESISTENCIA HORIZONTAL

DE

Rp =

DISPERSIÓN

(RP)

DE

UN

ELECTRODO

ρr ρ R L2 Ln + Ln 2π L ro 12 π L 3,7 x h x R

Donde: ρR : ρ : L : R : ro : h :

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resistividad del relleno = 5 (Ω-m). resistividad de diseño, (Ω-m). longitud electrodo horizontal, (m). radio equivalente del relleno, (m). radio equivalente del electrodo, (m). profundidad de enterramiento, (m).

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Ejemplo Para los datos de la puesta a tierra del electrodo horizontal propuesta Fig. 3.16, con la resistividad de diseño ya establecida (ρ = 300 Ω-m), resulta:

Rp =

5 0,28 300 9 Ln Ln + 18,84 0,006 113,04 0,3626

R p = 1,02 + 8,52 = 9,54 Ω

Fig. 3.16 Resistencia de dispersión de electrodos horizontales.

3.4.3.

RESISTENCIAS DE DISPERSIÓN Las resistencias de dispersión asignables, según las necesidades de seguridad y correcto funcionamiento de aparatos eléctricos y electrónicos son: • • • • • • •

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: 9 – 15 Ω 6–9Ω : 3–6Ω : 2–3Ω