CONSIDERACIONES INICIALES PARA EL DISEÑO DE PUESTAS A TIERRA

RESUMEN

El conocimiento de las características del suelo donde se desea construir una a puesta adquiere su verdadero valor cuando en su diseño se cuenta con la información necesaria para obtener un diseño óptimo.

ABSTRACT

Given the importance of the system of put to ground that is desired to design and the costs that implies to obtain a value specify of resistance of put to ground, is determinant to know the parameters that they are required for the to obtain an optimum design.

Jorge Humberto Sanz AlzateProfesor Asistente Universidad Tecnologica de Pereira.e-mail: jsanz@utp.edu.co

1. INTRODUCCIÓN.

Hoy por hoy los sistemas de puesta a tierra adquieren su verdadero valor como uno de los componentes más importantes de los sistemas eléctricos, puesto que su función es la de forzar la derivación al suelo de las intensidades de corriente de cualquier naturaleza que se pueden originar, ya se trate de corrientes de defecto, baja frecuencia industrial, o debidas a descargas atmosféricas, tipo impulso.

La aparición de las intensidades originadas por la instalación de sistemas de puesta a tierra puede originar la aparición de diferencias de potencial entre ciertos puntos, por ejemplo, entre la instalación del sistema de puesta a tierra y el suelo que la rodea o entre dos puntos del mismo sistema, por cuya razón debe concebirse la instalación de puesta a tierra para que incluso con la aparición de las diferencias de potencial aludidas se cubran los siguientes objetivos:

- Seguridad de las personas.- Protección de las instalaciones.- Mejora de la calidad del servicio.- Establecimiento y permanencia de un

potencial de referencia.

Se pretende con este ensayo recoger una buena parte de los conceptos iniciales que necesitan los ingenieros electricistas y electrónicos que tienen que ver con sistemas de puesta a tierra, e ilustrar la importancia de conocer la resistividad del terreno.

2. TIPOS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA.

Existen varias maneras para que un sistema eléctrico esté puesto a tierra, que va desde lo más elemental como es un electrodo, pasar por placas de formas y tamaños diversos, y llegar a complicadas configuraciones de cables, electrodos y placas enterradas en el suelo.

De acuerdo a su uso podemos agrupar los sistemas de puesta de la siguiente forma:

- De protección.- De servicio.- Temporales.

Cualquier a que sea el grupo en que se encuentre clasificado, los sistemas de puesta a tierra deben cumplir entre otros con los siguientes requisitos:

- El valor de la resistencia debe ser el

adecuado para poder considerar el sistema como sólidamente conectado a tierra.

- Debe garantizar condiciones de seguridad a los seres vivos.

- La variación de la resistencia debida a cambios ambientales debe ser tal que en cualquier momento que se presenten cargas estáticas o descargas eléctricas atmosféricas permita su conducción a tierra.

- Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas.

- Alta capacidad de conducción y disipación de corriente.

- Evitar ruidos eléctricos.- Deben ser resistentes a la corrosión.- Su costo debe ser lo más bajo posible. - Su vida útil deber ser mayor a 20 años.- Debe permitir un fácil mantenimiento.

3. FACTORES QUE INCIDEN EN EL DISEÑO DE LA PUESTA A TIERRA.

La siguiente lista muestra algunos factores que en forma directa o indirecta, inciden en el diseño y la calidad de una puesta a tierra.

1. La composición geológica del suelo: Debido a la presencia de elementos tales como arena, grava, arcilla, caliza, cemento, materias orgánicas, piedras inciden en forma fundamental en la calidad de una puesta a tierra.

2. Contenido de agua.3. Viscosidad del agua.4. Temperatura del suelo.5. Solubilidad del terreno.6. Concentración de sales disueltas.7. Composición química del suelo.8. Geometría de los poros.9. Composición mecánica del suelo.

(Compactación).10. Textura de las rocas que hacen parte del

suelo.11. Material de los electrodos.12. Diámetro y forma de los electrodos.13. Área de contacto con el suelo.14. Cableado de conexión, cuyo diámetro

debe ser directamente proporcional a la

corriente de fallo.15. Sistema de conexión.16. Profundidad de enterramiento.17. Cercanía de otras puestas a tierra. (Por

lo general debe estar a 5 veces el lado más largo del sistema del centro geométrico).

18. Tipo de corriente de fallo.19. Frecuencia de la corriente de fallo.20. Separación de los electrodos.

Los parámetros relacionados con el suelo permiten conceptuar un término que de acuerdo a su valor facilita determinar las características de este, el término se denomina resistividad del suelo.

3.1 Resistividad del suelo.

Como se conceptúo antes algunos factores determinan una variable muy importante del suelo, su resistividad, la cual se puede definir como la resistencia que hay entre las caras de un cubo, que tiene de lado 1 metro, el cual es llenado con el suelo que se desea analizar. (Sus unidades serían Ohmio/metro).

El suelo en su estado natural es un mal conductor de electricidad y totalmente seco se comporta como un material semiconductor o aislante. El valor de la resistividad fluctúa para distintas rocas en límites muy amplios, dependiendo de la composición de las mismas, de la conductividad de sus partículas de sus estructura, de la presencia de agua, de las sales y otros parámetros. Por ello es importante listar los factores que más inciden en la resistividad de un suelo. Entre los factores más importantes son:

1. La constitución del terreno.2. La humedad del terreno.3. Las sustancias ácidas básicas.4. Temperatura.5. Compactación

La resistividad del terreno depende principalmente del tamaño de las partículas que

lo componen, de la proporción de materiales solubles y de su grado de humedad.

El suelo se compone principalmente de óxido de silicio y óxido de aluminio que son buenos aislantes. La presencia de sales en estos óxidos reduce la resistividad.

Con el fin de mantener la humedad del terreno se recomienda utilizar un tratamiento químico con algún GEL, el cual tiene la propiedad de capturar y retener la humedad cerca de él.

Se tiene como costumbre utilizar sales para mejorar la resistividad del terreno, dicha práctica resulta poco recomendable ya que éstas se diluyen con la lluvia y producen una fuerte corrosión a los elementos del sistema de puesta a tierra (electrodos).

3.1.1 Constitución del suelo.

Debido a que no hay una definición de los tipos de suelos no se puede dar un valor exacto de la resistencia a un suelo determinado, sin embargo se han podido recopilar algunos valores que están consignados en la tabla No.1, que en condiciones normales de humedad pueden servir de referencia:

Tipo de suelo Resistividad (ohmios/metro)

Lama 5 a 100Humus 10 a 150Arcillas 80 a 330Tierra de jardín 140 a 480Caliza fisurada 500 a 1000Caliza compacta 1000 a 5000Granito 1500 a 10000Arena común 3000 a 8000

La humedad y salinidad del suelo.

La resistividad del suelo generalmente es inversamente proporcional a la humedad del terreno, aunque si la salinidad del terreno es baja o si se encuentra a muy baja temperatura (congelada)se puede tener una resistividad alta.

Esta cantidad de agua varía de acuerdo con el clima, la época del año, la temperatura, la naturaleza del suelo, la existencia de depósitos de agua subterránea, entre otros.

En general la humedad aumenta con la profundidad, y vale la pena anotar que es muy difícil encontrar suelos secos. (Donde se tiene menos del 40% de humedad).

La resistividad del agua está gobernada por las sales disueltas en ella, por lo cual se dice que la resistividad del suelo es influenciada por la cantidad y tipos de sales disueltos en ésta. (condición que se presenta para la electrólisis).

3.1.3 Compactación y presión del suelo.

Un suelo compacto presenta mayor continuidad y por lo tanto una menor resistividad. Un aumento de presión sobre el terreno da una mayor compactación y por lo tanto una menor resistividad.

Si la granulometría del suelo es mayor tiende a aumentar la resistividad dado que no permite la retención de agua y al haber menor contacto entre los granos hay una menor continuidad eléctrica.

3.1.4 Temperatura del suelo.

Como se ha establecido que la humedad ejerce una influencia en la resistividad del terreno, es fácil relacionar también la influencia de la temperatura sobre la resistividad.

Al tener aumentos de temperatura, se disminuye la humedad del terreno lo que nos da una resistividad mayor. Esto debe ser antes considerado y verificado puesto que la evaporación del agua puede ser sólo superficial. Para valores de temperatura bajo cero se tendrá también un aumento de la resistividad ya que el hielo tiene una alta resistividad eléctrica.

3. Métodos y dispositivos para la medición de resistividad del suelo.

Tabla No. 1 Resistividad según el tipo de suelo.

Uno de los datos más importante, en la elaboración de cualquier proyecto de puesta a tierra, es un conocimiento de las características del suelo, principalmente de su resistividad eléctrica.

Si observamos, en general, la resistencia total que presenta una instalación de puesta a tierra esta constituida por las siguientes partes:

- La resistencia del conductor(línea de tierra y línea de enlace con el electrodo) que conecta el electrodo de tierra al sistema que debe ponerse a tierra.

- La resistencia de contacto entre la superficie del electrodo y el terreno.

- La resistencia del suelo en el que está enterrado el electrodo.

La resistencia del conductor se puede determinar perfectamente por los procedimientos usuales, como los establecidos por el NEC y otras normas relacionadas. La de contacto con el terreno es despreciable por su escaso valor y la parte más significativa es la correspondiente al terreno que rodea al electrodo, porque las anomalías eléctricas producidas pro los conductores enterrados dependen del contraste de resistividades eléctricas entre los conductores y la roca que los envuelve. Por lo tanto, es necesario saber cual es el valor de la resistividad de los minerales y rocas que se hallan en la zona dispuesta para implementar la puesta a tierra.

También, se debe señalar la escasa importancia de la baja resistividad de los materiales utilizados como electrodos frente a la que puede poseer el terreno. En efecto, si se trata de cobre, presenta una resistividad de:

ρcu(20 ° )=

1

1,7 x 108[Ω .m2

m ](1)

mientras que para un terreno excelente, en circunstancias favorables, rara vez se podrá alcanzar una resistividad igual a:

ρTerreno = 1 [ Ω.m2

m ] (2)

es decir, que en el mejor de los casos, posee una resistividad 170 millones de veces mayor que la del cobre, circunstancia a veces no tenida en cuenta y por cuya razón poco importa, desde el punto de vista de la resistividad.

Cuando una corriente eléctrica DC o AC de baja frecuencia se inyecta en un sistema de puesta a tierra, la corriente fluye por todos los conductores y pasa a tierra a lo largo de la superficie de estos.

Dicha corriente encuentra una resistencia, la cual depende principalmente de la resistividad del terreno.

Debido al efecto de una corriente fluyendo a través de una resistencia, el sistema de puesta a tierra y todas las estructuras metálicas conectadas a él se elevarán de potencial con respecto a un punto remoto. Esta elevación de potencial puede producir sobre la superficie del terreno gradientes de potencial que pueden resultar peligroso para los seres vivos.

La mayoría de los métodos de análisis de sistemas de puesta a tierra suponen la resistividad del suelo como uniforme. Lo que implica que la resistividad del suelo permanece constante con la profundidad y también con la ubicación sobre la superficie del terreno, desafortunadamente, esta situación rara vez se encuentra en la práctica. En la gran mayoría de los casos la resistividad medida, trazada como una función de la distancia entre los electrodos, muestra variaciones, lo cual indica un suelo no uniforme. Aunque en la literatura se encuentran diversos modelos para la estructura del suelo, en la mayoría de los casos en que se presenta un suelo no homogéneo, resulta suficiente modelar el terreno con dos capas horizontales de diferente resistividad.

Los métodos más conocidos para la medida de la resistividad son:

1. Por toma de muestras.2. Arreglo de cuatro electrodos.3. Arreglo de Schlumberger o de

gradiente.4. Arreglo de Wenner o de potencial.5. Arreglo de polos.6. Arreglo de dipolos.7. Por medida de la resistencia.

Se explicará el método de Arreglo de Wenner o de potencial, ya que su utilización sea generalizado por su sencillez y confiabilidad.|

Se requiere que la disposición de los electrodos se haga en línea recta y equidistantes a una distancia ‘a’(m), simétricamente respecto al punto en el que se desea medir la resistividad del suelo, no siendo necesario que la profundidad de los electrodos sobrepase los 30 cm. El aparato a utilizado es un telurómetro de cuatro terminales, siendo los dos electrodos extremos los utilizados para la inyección de la corriente de medida (I) y los dos centrales los electrodos de medida de potencial (V).

Utilizando la metodología que Palmer 1 planteó para el arreglo de Wenner se obtiene la siguiente ecuación:

ρ = 4 .π . R .a

1 +2.a

√a2+4 . p2−

2.a

√4 .a2+4 . p2 (3)

- : Resistividad (Ω/m)- R: Resistencia medida con el telurómetro(Ω).- a: Distancia entre electrodos (m). - p: Enterramiento de los electrodos (m).

Es conveniente aclarar que se habla de resistividad específica cuando se trata de conductores o metales, pero para el caso de los suelos el término apropiado es resistividad aparente.

En condiciones reales la corteza se compone de distintas capas y la profundidad de penetración de las corrientes depende de la distancia entre los electrodos de emisión, por lo cual el valor de no es la resistividad verdadera, sino una función de las resistividades de la roca y de la profundidad de penetración de la corriente. En la práctica se puede admitir que la resistividad aparente es, básicamente, la de las capas comprendidas entre la superficie del suelo y la profundidad a la cual la densidad de corriente se ha reducido a la mitad de su valor en al superficie, es decir, la profundidad de exploración es ‘0.75.a’.

El eje del sondeo eléctrico vertical y en consecuencia, de medida de resistividad, se encuentra en el medio del sistema simétrico compuesto por los cuatro electrodos, entre los dos de potencial.En la practica se puede utilizar la siguiente ecuación, que se obtiene de simplificar la ecuación (3), si la profundidad de enterramiento (p) de los electrodos es menor de 1/20 de la separación de los electrodos (a):

= 2 . . a. R (4)

Donde: : La resistividad aparente en Ω/mR : Es la resistencia medida por el telurómetro.a : Distancia entre electrodos en metros.

I

Fig. 1 Dispositivo tetraelectródico o método de Wenner

P

a a a

a/2d = a . 3/4

Telurómetro

a/2

Electrodo

En relación con este método, deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos.

Noción de la profundidad de exploración: La densidad de la corriente en el suelo decrece regularmente cuando aumenta la profundidad en la vertical de los electrodos centrales de medida de potencial ya que la corriente penetra más profundamente en el suelo cuanto más alejados estén los electrodos de inyección (esto es sólo válido para suelos homogéneos).

En la práctica normalmente no se recomienda separaciones mayores a 8 metros para una profundidad de exploración de 6 metros.

Por otro lado, los potenciales en la superficie, dependen principalmente de la resistividad de la capa superficial del terreno que se haya escogido, mientras que el valor de la resistencia de puesta a tierra ‘no depende de ella’.Se presentará en ejercicio que permite establecer la importancia de obtener el perfil de resistividad del suelo, como punto inicial para el cálculo de un sistema de puesta a tierra.

Ejercicio:

Se requiere de una de puesta a tierra para un transformador de 300 KVA que alimentará 4 edificios

Paso No 1: Obtención del perfil de resistividad del suelo.

Se realiza la medida de la resistividad del suelo utilizando el método de Wenner y un

telurómetro digital marca AEMC modelo 4.500, donde los datos obtenidos se consignan en la gráfica No.1, la cual representa el perfil de resistividad del terreno donde se planea construir la malla.

Gráfica No. 1

Se puede apreciar en la gráfica que la resistividad es muy alta en la superficie y comienza a disminuir a medida que aumenta la profundidad del terreno.

El valor de la resistividad aparente del suelo es de 570 Ω/m, este valor se elige de la gráfica No.1 para una distancia correspondiente de 2,4 m ya que dicha distancia se relaciona con la longitud de los electrodos a utilizar.

Paso 3: Cálculo de la malla.

El cálculo de la malla esta determinado en éste caso por: La tensión de paso y la tensión de contacto de la malla y el valor de la resistencia de puesta a tierra.

Con el fin de obtener los valores de tensión adecuados se maneja la metodología IEEE 802 de la siguiente forma:

1. Disminuir el valor de la resistividad variando la longitud de los electrodos a utilizar puesto que en la gráfica No. 1 se puede apreciar que para una profundidad de 4.8 se obtiene un valor correspondiente a 380 Ω/m.

2. Disminuir la resistividad del suelo por

1 2 3 4 5 6 7

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

800.0

Perfil de resistividad del terreno

Profundidad (m)

Re

sis

tiv

ida

d(o

hm

ios

/m)

medio de métodos químicos, agregando suelos artificiales (Favigel, etc.), de esta forma la resistividad final que se obtiene es equivalente al 30% del valor inicial.

3. Aumentando el área total de la malla.

Para el caso que compete se tiene restricción con el espacio a utilizar, por lo tanto el método indicado es el tratamiento químico.

Valor inicial de la resistividad 570 Ω/m.Valor final esperado después de utilizar FAVIGEL 171 Ω/m.

Los datos requeridos para la utilización de la metodología IEEE 80, son:

Corriente de malla en condiciones de falla Tiempo de despeje de la falla (Seg)Temperatura ambiente(Centigrados)Conexiones con exotérmica (Cadweld)Resistividad en Ohmios - metro.Profundidad de la malla(m)Longitud lado cuadrícula(m)Rectángulo malla(Largo)Rectángulo Malla(ancho)Número varillas de cobreLongitud c/u varillas(m)Resistencia gravilla o gap (Ohmios)Espesor de la Gravilla o gap(m)

3000,000,50

30,00

SI1710,501,008,008,004,002,40

10000,000,50

Los resultados obtenidos son:

Conductor suficiente mallaResistencia (Nieman) en ohmiosTensión de Paso PermitidaTensión de Contacto PermitidaTensión de Paso Real de la mallaTensión de Contacto Real de la malla

1/09,63

12288,973238,776136,98

2549,23

Aunque el valor de la resistencia de puesta a tierra de la malla es un poco alto, los valores de las tensiones de paso y de contacto están por

debajo de los valores permitidos.

CONCLUSIONES:

El sistema total de puesta a tierra es una parte fundamental del sistema de protección contra rayos que contribuye de forma sustancial a la seguridad del personal y de los equipos en caso de la incidencia de una descarga, puesto que provee una solución equipotencial en los equipos y estructuras y ofrece una trayectoria de baja resistencia a la corriente del rayo, permitiendo sus disipación en el terreno sin causar daño.

El sistema de puesta a tierra en una localización se obtiene mediante la unión de todos los equipos eléctricos, estructuras metálicas, tierra de subestaciones, etc., a un sistema de puesta a tierra de valor de resistencia óhmica baja, para establecer una condición equipotencial entre todos los equipos y estructuras, ofreciendo así un camino de baja resistencia a los rayos, la reducción del ruido eléctrico en telecomunicaciones y un camino de retorno en circuitos eléctricos y electrónicos.

El valor final de la resistencia de un sistema de puesta a tierra está sujeto a las exigencias de los dispositivos que se desean cubrir, de ahí estriba la importancia de poder obtener el valor deseado al menor costo posible, teniendo como pauta inicial el perfil de resistividad del terreno donde se desea instalar la puesta a tierra.

Bibliografía:

Norma técnica colombiana 4552 – Protección contra descargas eléctricas atmosféricas.

TIERRAS soporte de la seguridad eléctrica – Favio Casas Ospina Primera edición – 1998.

ANSI/IEEE80 – 1986 – IEEE Guide for safety in AC substation grounding.

ANSI/IEEE Std 81 – 1983: Guide for measuring earth resistivity ground impedance.

MANUAL DE TECNICAS EN MEDICIONES DE SISTEMA DE PUESTA A TIERRA.- 2000- Tesis de grado. Universidad de la Salle, Santafé de Bogotá.

Los datos de resistividad de suelo para la Universidad Tecnológica de Pereira, son tomados del trabajo de campo realizado en el proyecto de investigación sobre perfil de resistividad del suelo para el campus de la U.T.P.

1 PALMER, L.S. Examples of Geoelectric Surveys. Proc.AIEE.,Vol.106,Part A,1959,pp.231-244

22 Programa cortesía de Demo IngenieríaSantafé de Bogotá.