ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [1.3] {250-26c}, los electrodos de

puesta a tierra de los sistemas elctricos deben estar accesibles y preferiblemente en la

misma zona del puente de unin principal del sistema.

De acuerdo con la norma oficial mexicana [1.3] {250-81}, el sistema de electrodos de

puesta a tierra se forma interconectando los siguientes tipos de electrodos (siempre que

existan):

Tubera metlica de agua enterrada.

Estructura metlica del inmueble.

Electrodo empotrado en concreto.

Anillo de tierra.

En caso de no disponer de alguno de los anteriores, se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construdos:

Electrodos de varilla o tubera.

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metlicos subterrneos cercanos.

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son:

1. Tuberas de gas enterradas. Porque en los E.U. las compaas suministradoras de este

fluido se opusieron a ello.

2. Electrodos de aluminio. Aunque en Europa se han utilizado, los comits del NEC

[1.4] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es un material que se corroe con

mayor facilidad que el cobre y los compuestos qumicos que se le forman no son buenos

conductores elctricos.

Es importante hacer notar que en lugares donde existe congelamiento de la superficie, la

profundidad de enterramiento es mayor a la que se menciona en los prrafos siguientes;

o, en los clculos debe considerarse como aislada la parte del sistema de tierras que

puede estar en contacto con la tierra congelada.

En los siguientes puntos se explica cada uno de esos tipos de electrodos.

8.1.1. TUBERIA METALICA DE AGUA ENTERRADA

Para que una tubera de agua pueda usarse como electrodo de puesta a tierra, debe reunir

los siguientes requisitos:

a) Por lo menos tener 3 m en contacto directo con la tierra.

b) Elctricamente continua hasta el punto de conexin, puenteando el medidor del agua,

si est colocado en una posicin intermedia.

La nica desventaja de su uso es que debe complementarse con un electrodo adicional,

de cualquiera de los tipos mencionados arriba.

Por otro lado, la American Water Works Association [8.5] est propugnando por

eliminar las tuberas de agua como electrodos principales, debido a que con el uso cada

vez mayor de equipos electrnicos, la corriente de fuga a tierra es en parte corriente

continua, lo que provoca corrosin galvnica en las tuberas.

No confundir este tipo de electrodo, con el requerimiento, casi siempre olvidado, del

artculo de la norma oficial mexicana [1.3]{250-80a}, de conectar los sistemas

interiores de tuberas para agua al puente de unin principal o a los electrodos de puesta

a tierra, de acuerdo con la tabla 250-94 de la misma norma, con el fin de igualar

potenciales en caso de una falla.

8.1.2 ESTRUCTURA METALICA DEL EDIFICIO

La estructura metlica de los edificios puede ser usada, siempre que est bien puesta a

tierra, esto es, que su impedancia a tierra sea baja.

Para que sea baja la impedancia, se deben unir las columnas a las partes metlicas de la

cimentacin con conductores segn los calibres de los conductores de puesta a tierra de

la norma [1.3]{250-94} y, en caso de haber sellos formados por pelculas plsticas, se

deben puentear stos.

8.1.3. ELECTRODOS DE CONCRETO ARMADO O UFER.

Los electrodos Ufer, se llaman de esa manera en memoria de un ingeniero de nombre

Herb Ufer, quien estuvo a cargo de los laboratorios de los aseguradores (UL) en Los

Angeles de 1927 a 1953. Aparentemente el estuvo encargado de las pruebas de

electrodos de puesta a tierra para arsenales en Arizona en 1942. Claramente, la tierra

arenosa es el peor terreno para obtener una resistencia baja. Pero, los electrodos de

concreto armado que el midi tuvieron una resistencia a tierra de 5 ohms o menos. En

los sesentas, varios sitios en el oeste americano fueron probados con electrodos Ufer,

obtenindose tan buenos resultados, que el NEC 1968 reconoci este tipo de electrodos.

Consisten en utilizar en las estructuras nuevas, el acero del concreto armado como

electrodo principal, siempre y cuando la cimentacin haya sido diseada para este fin

con los cables de tierra adecuados soldados a las varillas.

La NOM [1.3] {250-81c} dice que debe de constar de por lo menos de 6 metros de una

o ms varillas de acero desnudo o galvanizado o revestido de cualquier otro

recubrimiento elctricamente conductor, de no menos de 13 mm de dimetro localizado

en y cerca del fondo de un cimiento o zapata, empotrado al menos 50 mm en el

concreto.

El concreto tiene una estructura qumica ligeramente alcalina e higroscpica. La

combinacin de estas caractersticas provee iones libres que permiten al concreto

exhibir una resistividad consistentemente de unos 30 ohm-m. Los electrodos de

concreto tienen una resistencia a tierra menor o igual que las varillas de cobre de un

tamao comparable, siempre que estn en contacto con suelos con resistividad de 50

ohm-m o menor. [8.2].

Algunas pruebas indican que la resistencia tpica a tierra de una base para columna de

anclaje medida en los pernos es de alrededor de 50 ohms, sin usar mtodos especiales.

De ah que la resistencia efectiva de un edificio de estructura metlica con veintitantas

columnas en paralelo es de menos de 5 ohms, siempre y cuando se asegure que la

estructura est conectada a las varillas. Para ello, se suelda por mtodos de fusin un

cable de acero a las varillas, mismo que se conectar a su respectiva columna.

En los lugares donde es posible que caigan descargas atmosfricas en el sistema de

tierras con electrodos de concreto, stos deben complementarse con electrodos de otro

tipo, para que las grandes corrientes debidas a esas descargas no causen ningn dao

por fractura al evaporar muy rpidamente el agua presente en el concreto.

8.1.4. ANILLO DE TIERRA

Un anillo de tierra consiste en un conductor de cobre desnudo, de seccin transversal no

menor al calibre 2 AWG (por resistencia mecnica) y de longitud no menor a 6 m

enterrado a una profundidad de 800 mm y, que rodee al edificio o estructura.

Estos anillos de tierras se emplean frecuentemente circundando una fbrica o un sitio de

comunicaciones, para proveer un plano equipotencial alrededor de edificios y equipos.

8.2 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA ESPECIALMENTE

CONSTRUIDOS.

Cuando no se dispone de alguno de los electrodos mencionados en el punto anterior, la

norma oficial mexicana [1.3]{250-83} dispone que se puedan usar uno o mas de los

electrodos siguientes:

a) De Varilla o Tubera.

b) Electrodos de Placa.

c) Estructuras metlicas Subterrneas

8.2.1. ELECTRODOS DE VARILLA O TUBERIA

De acuerdo con la NOM [1.3]{250-83c} los electrodos de varilla y tubo, no deben tener

menos de 2,40 m de largo y deben instalarse de tal modo que por lo menos 2,40 m de

su longitud est en contacto con la tierra.

Las varillas de metales no ferrosos deben estar aprobadas y tener un dimetro no

inferior a 13 mm de dimetro, y las dems de por lo menos 16 mm. Las tuberas deben

tener un dimetro no inferior a 19 mm, y si son de hiero, deben tener una proteccin

contra corrosin en su superficie.

Las varillas de acero con un recubrimiento de cobre de 10 milsimas dura un promedio

de 35 aos en un suelo promedio; si tiene un recubrimiento de 13 milsimas dura hasta

45 aos. En cambio, una varilla de acero galvanizado tiene una vida estimada de 15

aos.

Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusin hasta que alcanzan la

profundidad adecuada. En caso de terrenos rocosos o de tepetate, las varillas no pueden

meterse de esa manera; se doblan o solamente no pueden entrar. Ocasionalmente se ha

sabido de casos donde las varillas han sido regresadas hacia la superficie despus de

haber tratado de clavarlas en terrenos rocosos.

Cuando la roca est a menos de 2,40 m, estos electrodos pueden meterse en diagonal

hasta con un ngulo de 45 grados de la vertical. Pero, si no es este el caso, se deben

enterrar horizontales en una trinchera abierta para el caso a 800 mm de profundidad por

lo menos.

La alternativa al golpeado es perforar un agujero, instalar la varilla y rellenar

nuevamente el agujero, aunque no se obtiene la compactacin ni la baja resistencia de

contacto de la varilla percutida.

La resistencia de contacto de una varilla est dada por la frmula de Dwight [8.3] del

M.I.T.

donde:

p es la resistividad del terreno en ohm - m

L es el largo de la varilla en m

r es el radio de la varilla en m

La frmula de Dwight para el caso de varilla enterrada en doble capa de tierra:

donde:

p0 es la resistividad del terreno adjunto en ohm - m

p1 es la resistividad del terreno circundante en ohm - m

L es el largo de la varilla en m

a0 es el dimetro de la varilla en m

a1 es el dimetro del terreno adjunto a la varilla en m

En la tabla 10.1.1 se muestra la resistencia a tierra (terica) de otras configuraciones de

electrodos.

8.2.2. ELECTRODOS DE PLACA

Los electrodos de placa no debern tener menos de 0,2 metros cuadrados de superficie

en contacto con el suelo. Y las placas de acero o fierro debern tener por lo menos 6,4

mm de espesor. Si son de material no ferroso debern tener por lo menos 1,52 mm de

espesor.

8.2.3. ESTRUCTURAS METALICAS ENTERRADAS

La NOM menciona la puesta a tierra mediante sistemas de tuberas o tanques

enterrados. Pero, puede ser cualquier clase de estructura metlica subterrnea.

8.2.4 ADEME DE POZOS

Las normas americanas MIL-STD-1542B, MIL-HDBK-419 y MIL-STD-188-124 no

recomiendan el uso de los ademes de pozos para lograr una baja impedancia a tierra.

Las normas mencionadas hacen nfasis en que los ademes presentan muy baja

resistencia a tierra en c.d., pero, no reducen la impedancia en corriente alterna, y,

mencionan que si los ademes metlicos son utilizados como parte del sistema de tierras,

no deben ser los nicos elementos en contacto con el suelo.

8.3. ELECTRODOS PARA PUESTA A TIERRA EN RADIO FRECUENCIA (NO

EN NOM).

En el caso de torres de radiodifusin, se emplean cables en configuracin de estrella

(radiales) para su puesta a tierra. Y, se ha encontrado ms efectivo tener conectados los

cables en un punto que tener mltiples anillos rodeando el sitio.

Esos cables radiales llamados contra-antenas pueden ser menores a 30 m de largo si el

suelo es adecuado.

Los cables dispersan la energa de las descargas muy eficientemente. Como la corriente

se divide en proporciones iguales en los cables radiales, entre ms cables, menor

corriente los circula. Y, una baja corriente es ms fcil de disipar y tendr menor

impacto en la elevacin del potencial de tierra del sistema.

En la tabla 10.1.1 se describe la resistencia a tierra (terica) de estos electrodos en sus

distintas configuraciones. Como se observa en ese documento, ms de cuatro brazos no

son recomendables.

8.5 MALLAS

La norma oficial mexicana de instalaciones elctricas requiere de un sistema enmallado

de tierra con mltiples electrodos y conductores enterrados, cuando estn involucradas

tensiones y corrientes elctricas muy altas, con el fin de minimizar los riesgos al

personal en funcin de la tensin elctrica de paso y de contacto [1.3][921-18]

La malla consta de una red de conductores enterrados a una profundidad que

usualmente vara de 0,30 a 1,0 m, colocados paralela y perpendicularmente con un

espaciamiento adecuado a la resistividad del terreno y preferentemente formando

retculas cuadradas.

El cable que forma el permetro exterior de la malla debe ser continuo de manera que

encierre toda el rea en que se encuentra el equipo elctrico de la subestacin o planta

generadora. Con ello, se evitan altas concentraciones de corriente y gradientes de

potencial en el rea y terminales cercanas [1.3][921-25).

En cada cruce de conductores de la malla, stos deben conectarse rgidamente con

soldadura exotrmica entre s y en los puntos donde se conectan los equipos que

pudieran presentar falla o, en las esquinas de la malla, los conductores deben conectarse

a electrodos de varilla o tubo de 2,4 m de longitud mnima, clavados verticalmente.

Los cables que forman la malla deben colocarse preferentemente a lo largo de las hileras

de estructuras o equipo para facilitar la conexin a los mismos, ya que es una prctica

comn de ingeniera aterrizar a dos cables diferentes todos los equipos.

En 10.2.2 Clculo de la malla requerida para subestacin de potencia cumpliendo con el

voltaje de paso y de contacto (IEEE Std 80) se encuentra el clculo del calibre mnimo

del conductor de la malla para resistir las corrientes de falla.

Es importante notar que en Europa se emplea el estndar alemn DIN 57141, que da

resultados equivalentes de calibres mnimos.

Los conectores empleados en la malla del sistema de tierras de una subestacin deben

ser de tipo de compresin o soldables.

Los cables empleados en las mallas de tierra son de: acero, acero inoxidable, acero

galvanizado, y cobre. Para evitar la corrosin galvnica en terrenos de baja resistividad,

algunas compaas elctricas desde el diseo utilizan en sus mallas de tierras, cable de

cobre estaado para bajar el potencial electronegativo entre los diferentes metales.

El factor principal en la seleccin del material es la resistencia a la corrosin. El cobre

es el material ms utilizado porque es econmico, tiene buena conductividad, es

resistente a la corrosin y tiene un punto elevado de fusin (1083 C).

8.6 MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA A TIERRA.

La NOM (250-84) permite para los sistemas con un electrodo nico que conste de una

varilla, tubera o placa, que no tiene una resistencia a tierra de 25 ohms o menos, que se

complemente con electrodos adicionales de los tipos mencionados en 8.1 separados

por lo menos una distancia de 1,83 m entre s.

En la prctica, cuando la resistencia del electrodo nico mencionado, excede del valor

buscado, esa resistencia se puede reducir de las siguientes maneras:

a) Usando una varilla de mayor dimetro.

b) Usando varillas ms largas

c) Poniendo dos, tres o ms varillas en paralelo.

d) Tratando qumicamente el terreno.

a) VARILLAS DE MAYOR DIAMETRO

Usando varillas de 19 mm en lugar de varillas de 13 mm se logra una reduccin en la

resistencia a tierra de hasta un 10% mximo. Muy poco en realidad.

b) VARILLAS MAS LARGAS

Para los casos donde las capas superiores de la tierra son de arena y donde a gran

profundidad se encuentra una capa de terreno hmedo, existen varillas que se acoplan

unas a otras para lograr longitudes hasta de 15 m.

Por lo general, doblando el largo, se obtiene una reduccin del 40% de resistencia a

tierra.

Otra ventaja es que con el uso de varillas largas, se controla el gradiente de potencial en

la superficie.

Los electrodos de puesta a tierra de las subestaciones en c.d., son mucho ms largos que

los normalmente utilizados en corriente alterna. En la estacin rectificadora de Rice

Flats de la Bonneville Power Authority, se utilizan electrodos de 60 metros de largo,

para evitar el fenmeno de electrosmosis, manteniendo una densidad baja de corriente

en toda la superficie del electrodo.

c) VARILLAS EN PARALELO (ELECTRODOS MLTIPLES)

El colocar varias varillas en paralelo es una manera muy efectiva de bajar la

resistividad. Pero, las varillas de tierra no deben ser colocadas muy cerca una de otra

[1.1], porque cada varilla afecta la impedancia del circuito, por los efectos mutuos.

La NOM [1.3] {250-83} dice que la distancia entre ellas o de cualquier electrodo, no

debe ser menos de 1,8 m, aunque se recomienda que estn separadas ms del largo de

cualquiera de ellas.

Por ejemplo, dos varillas en paralelo a 3 metros de distancia ofrecen una resistencia del

60% de la resistencia a tierra de una sola de ellas. Pero, incrementando ese

espaciamiento a 6 m, la reduccin de la resistencia es del 50%.

Cuando se utilizan mltiples electrodos, la impedancia es mayor y cada electrodo

adicional no contribuye con una reduccin proporcional en la resistencia del circuito.

Por ejemplo, dos varillas reducen la resistencia al 58% de una sola, mientras que 10

varillas apenas reducen ese valor al 10 %.

La resistencia neta para n varillas Rn esta determinada por la resistencia de una sola

varilla R. Este es un valor aproximado que considera que las varillas estn espaciadas

por una distancia igual al dimetro del cilindro protector.

Y, representa el decaimiento de la capacitancia asociada con la propagacin en la tierra.

Es de observar que, muchas varillas cortas tienden a ser ms efectivas que unas cuantas

largas. Esto puede ser verificado al unir las ecuaciones de las resistencias individuales y

las de grupo. Considere como ejemplo de sto, un terreno de resistividad de 1000 ohm-

m. Una varilla de 25 cm da una resistencia a tierra de 300 ohm. Dos varillas de 12.5 cm

dan una resistencia de 210 ohm. Esto es, 2/3 de la resistencia.

Obviamente que esto supone que el terreno superficial es razonablemente conductor.

En la tabla 10.1.1 se muestra la resistencia a tierra (terica) de diversas configuraciones

de electrodos.

8.7 MEJORAMIENTO DEL TERRENO.

Cuando un sistema elctrico se expande, la que se crea era una baja resistencia a tierra,

se hace mala.

Asimismo, con el uso cada vez mayor de tuberas no metlicas y, la cada en el nivel de

aguas freticas en muchos lados, ha resultado en mayores resistencias a tierra que las de

diseo.

Cuando la resistencia a tierra no es lo suficientemente baja, hay algunos mtodos para

bajarla.

En el punto 8.6 anterior, hemos visto que el utilizar varillas ms largas y, el uso de

muchas varillas en paralelo, baja la resistencia a tierra, pero, cuando lo anterior ya no es

posible, se tiene que mejorar el terreno mismo mediante productos qumicos. Pero, tiene

el inconveniente de ser una solucin costosa y que bajo ciertas circunstancias se

requiere de mantenimiento.

El problema de lograr una resistencia baja en la roca as como en otros suelos de alta

resistividad, est asociada con el material en contacto con el electrodo y la

compactacin que ste recibe al rellenar el agujero.

El relleno ideal debe compactarse fcilmente, ser no corrosivo y a la vez buen conductor

elctrico. La bentonita entre otros compuestos como el sulfato de magnesio o de sulfato

de cobre, o de compuestos qumicos patentados (El peruano THOR GEL, el GEM de

Erico, el GAP de Alta Conductividad 2000 S.A., etc.) cumple con esos requisitos.

La bentonita es una arcilla consistente en el mineral montmorillonita, un silicato de

aluminio, y tiene la particularidad de absorber hasta cinco veces su peso de agua y de

hincharse hasta 13 veces su volumen seco [9.1]. Y tiene una resistividad de 2.5 ohm-m

con humedad del 300%.

Aparte del relleno con alguno de los compuestos mencionados, existen otros mtodos

qumicos ms. En el primero, en un registro junto a la varilla se colocan unos 30 cm de

los compuestos. Ver dibujo.

Este mtodo es efectivo donde hay poco espacio como en banquetas o estacionamientos,

pero es fcilmente demostrable que la resistencia a tierra obtenida, puede ser fcilmente

obtenida de una manera ms econmica con electrodos mltiples.

El otro mtodo es excavar una zanja alrededor de la varilla y llenarla con unos 20 o 40

kg de los compuestos qumicos mencionados arriba, diluyendo con agua.

La primera carga dura unos 2 o 3 aos y, las posteriores an ms, por lo que el

mantenimiento es menos frecuente con el tiempo.

Por ltimo, se puede utilizar uno de los cementos puzolnicos grafticos conductores

(EarthLink 101, etc.) de la siguiente manera: se cubre el cable del electrodo [4/0 AWG]

colocado horizontalmente en una zanja de unos 75 cm de profundidad, con una capa de

cemento seco de unos 5 cm de grueso y 50 cm de ancho. Con el tiempo, el cemento

toma la humedad del suelo y endurece. Este mtodo desarrollado en Japn en los 70s,

tiene la ventaja que no requiere mantenimiento, es antirobo, y por el tipo de material,

no se corroen los cables con el tiempo. Y, se adapta perfectamente a los lugares donde

la capa superficial es poco profunda y de alta resistividad.

El perforar y usar explosivos para hacer grietas en suelos rocosos, como se utiliza para

cimentar las torres de lneas de transmisin, se ha utilizado en China para mejorar la

resistividad de un terreno de alta resistividad, utilizando un material de baja resistividad

para rellenar las grietas. [8.6]

Como resultado del mejoramiento del terreno se observa en las mediciones que la

variacin estacional de la resistencia de un electrodo es mucho menor a la que pudiera

obtenerse en un terreno natural no mejorado.

8.8 CONECTORES

Los conectores de conductores de puesta a tierra con los electrodos pueden ser del tipo

de soldadura exotrmica, conectores a presin, abrazaderas u otros medios aprobados

[1.3]{250-115}. Y no deben tener soldaduras con materiales de puntos de baja fusin

(estao, plomo, etc.) para evitar falsos contactos, ya que pierde caractersticas de

seguridad la malla, si se llegara a abrir.

En nuestro pas, se prefieren las conexiones exotrmicas [De marcas: Cadweld,

Thermoweld, o Mexweld] para redes de tierras de subestaciones de alta potencia.

Para fabricar una conexin exotrmica no es necesaria una fuente de energa externa. Al

encender una chispa sobre el polvo ignitor, se inicia una reaccin qumica, donde el

xido de cobre es reducido por el metal aluminio produciendo cobre fundido a unos

1400 C y escoria de aluminio. Este cobre fluye sobre los conductores soldndolos en la

forma del molde de grafito, obteniendo una unin metlica slida en unos 20 segundos.

Es importante notar que una buena unin depende del ajuste del molde a los

conductores.

Las abrazaderas a usarse en sistemas de puesta a tierra deben ser adecuadas para el

nmero y tipo de conductores. Adems, deben de ser compatibles con los materiales de

los conductores y los electrodos de puesta a tierra, y cuando se usen enterradas, deben

ser del tipo apropiado [1.3]{250-115}. Estos conectores apropiados tienen marcada la

leyenda BURIED.

8.9 REGISTROS

La seccin [1.3]{250-117} dice textualmente que "las abrazaderas u otros accesorios

para puesta a tierra, deben estar aprobados para su uso general sin proteccin, o

protegerse contra dao fsico...con una cubierta protectora...", y la Seccin 250-112

menciona que la conexin debe ser accesible, siempre que no est en un electrodo

hundido, empotrado o enterrado.

Pero en el caso de las subestaciones, la misma norma especifica que deben hacerse

mediciones peridicas en los registros para comprobar que los valores del sistema de

tierras se ajustan a los valores de diseo. Por ello, se recomienda dejar registros en los

electrodos de varilla.

Cuando se coloquen registros, se recomienda que sean al menos de 150 mm de

dimetro para hacer cualquier maniobra y, que tengan tapa.

Aparte de los registros de fbrica,

se pueden construir esos registros empleando un tubo de albaal, con la boca hacia

arriba para que sirva de tope a una tapa de cemento.

8.10 CONDUCTORES DEL ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA.

El conductor del electrodo de puesta a tierra sin ningn empalme (Exc. empalmes

irreversibles {250-81 Exc 1} puede llevarse a cualquiera de los electrodos disponibles

del sistema de puesta a tierra y es dimensionado segn el mayor calibre requerido para

todos los electrodos disponibles de acuerdo con la tabla 250-94 de la NOM [1.3].

Excepto en el caso de un nico electrodo del tipo varilla, o del tipo Ufer, donde se

permite que el conductor del electrodo no sea mayor de calibre 6 en cobre {250-94 Exc

a y b} [1.3].

Este conductor, si es de calibre 4 o mayor, no requiere de proteccin, excepto en casos

donde est expuesto a dao fsico severo. En caso de ser calibre 6 debe fijarse a la

construccin o, debe correr por un tubo conduit. Y, los calibres menores, deben correr

siempre por tuberas conduit. En el caso de las tuberas conduit, stas deben ser

elctricamente continuas; esto es, deben estar conectadas a tierra en ambos extremos.

Inclusive las que cubren el cable de puesta a tierra de las acometidas residenciales.

Estos cables no deben ser de aluminio o de cobre con aluminio porque se corroen

cuando estn en en contacto con la tierra o con el cemento. Por ello, la norma mexicana

de Instalaciones elctricas slo permite el uso de aluminio como conductor desde una

altura mnima de 450 mm sobre el suelo [1.3][250-92a].