guia calidad 6 3-1 puesta a tierra - calculo y diseno

Guía de Calidad de la Energía Eléctrica

Puesta a tierra y EMC

Sistemas de Puesta a TierraFundamentos de Cálculo y Diseño

Pu

esta a tierra y EM

C

6.3.1

∆V*

T

∆V*

S

Puesta a Tierra y EMCSistemas de Puesta a Tierra

Fundamentos de Cálculo y Diseño

Prof Henryk Markiewicz & Dr Antoni KlajnWroclaw University of Technology

Junio 2003

Esta Guía ha sido publicada como parte de la Iniciativa Leonardo para la Calidad de laEnergía Eléctrica (LPQI), un programa europeo de formación y educación respaldado por

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Puesta a tierra y EMC

Sistemas de Puesta a Tierra – Fundamentos de Cálculo y Diseño

IntroducciónLa Sección 6.1 de esta Guía ofrece un resumen de los requisitos de un Sistema de Puesta a Tierra, y analizala necesidad de una solución sistemática para su diseño, refiriéndose a los aspectos relativos a la instala-ción eléctrica en edificios. Esta nota de aplicación estudia el diseño del sistema de electrodos de tierra,mientras que la Sección 6.5.1 proporciona una guía práctica sobre el diseño y el cálculo de electrodos detierra.

Un sistema de puesta a tierra, llamado a veces sencillamente “puesta a tierra”, es el conjunto de medidasque se han de tomar para conectar una pieza eléctricamente conductora a tierra. El sistema de puesta a tie-rra es una parte esencial de las redes de energía, tanto en los niveles de alta como de baja tensión. Se nece-sita un buen sistema de puesta a tierra para:

la protección de edificios e instalaciones contra rayos;

la seguridad de vidas humanas y animales, limitando las tensiones de paso y de contacto a valoresseguros;

la compatibilidad electromagnética (EMC), esto es, para la limitación de las perturbaciones elec-tromagnéticas;

el correcto funcionamiento de la red de suministro de electricidad y para asegurar una buena cali-dad de la energía.

Todas estas funciones las ha de desarrollar un único sistema de puesta a tierra, que deberá diseñarse paracumplir todos los requisitos. Algunos elementos de un sistema de puesta a tierra pueden disponerse paraque cumplan una finalidad específica, pero sin embargo forman parte de un único sistema de puesta a tie-rra. Las normas exigen que todos los elementos de puesta a tierra de una instalación estén conectados en-tre sí, formando un sistema.

Definiciones básicas [1,2]Puesta a tierra o sistema de puesta a tierra es el conjunto de todos los medios y procedimientos por losque una parte de un circuito eléctrico, las partes conductoras accesibles de los equipos eléctricos (partesmetálicas descubiertas) o partes conductoras próximas a una instalación eléctrica (partes metálicas ajenasa la propia instalación eléctrica) se conectan a tierra.

Electrodo de tierra es un conductor metálico, o un sistema de conductores metálicos interconectados, uotras piezas metálicas que actúan del mismo modo, empotradas en el suelo y en contacto eléctrico con elmismo, o empotradas en hormigón, que esté en contacto con la tierra en una gran superficie (p.ej., los ci-mientos de un edificio).

Conductor de puesta a tierra es el conductorque conecta una parte de una instalación eléc-trica, las partes conductoras accesibles o las ma-sas metálicas ajenas a dicha instalación a unelectrodo de tierra, o que interconecta varios elec-trodos de tierra. El conductor de puesta a tierrase coloca sobre el suelo o, si está enterrado, estáaislado del terreno.

Tierra de referencia es la parte del terreno, en es-pecial sobre la superficie, situado fuera del área deinfluencia del electrodo de tierra considerado, es

Figura 1 - Diagrama ilustrativo del concepto físico dela resistividad del terreno ρ

1

decir, entre dos puntos cualesquiera entre los que no existe una tensión perceptible, como resultado del flu-jo de corriente de puesta a tierra a través de este electrodo. Se considera que el potencial de la tierra de re-ferencia es cero.

Tensión de puesta a tierra (potencial de puesta a tierra) VE es la tensión que aparece entre el sistema depuesta a tierra y la tierra de referencia, cuando un determinado valor de la corriente de tierra fluye a travésdel sistema de puesta a tierra.

Resistividad del terreno ρ (resistencia específica del terreno) es la resistencia, medida entre dos carasopuestas de un cubo del terreno de un metro de arista (Figura 1). La resistividad del terreno se expresa enΩm.

Potencial superficial de tierra Vx es la diferencia de tensión entre un punto x sobre la superficie del terre-no y la tierra de referencia.

Características eléctricas del terrenoLas características eléctricas del terreno vienen definidas por la resistividad del terreno ρ. A pesar de la de-finición relativamente sencilla de ρ que se acaba de ofrecer, a menudo, la determinación de su valor es unatarea complicada por dos motivos fundamentales:

el terreno no tiene una estructura homogénea, sino que está formado por capas de diferentes ma-teriales;

la resistividad de un tipo dado de terreno varía mucho (Tabla 1) dependiendo del contenido de hu-medad.

El cálculo de la resistencia de puesta a tierra requiere un buen conocimiento de las características del sue-lo, en particular su resistividad ρ. Por ello, la gran variabilidad del valor de ρ supone un problema. En lapráctica se suele considerar una estructura del terreno homogénea con un valor medio de ρ, que se estimasobre la base de un análisis del suelo o por mediciones específicas. Se han establecido unas técnicas paramedir la resistividad del terreno. Un punto importante es que la distribución de corriente en las capas delsuelo usadas durante las mediciones debería ser similar a la de la instalación final. En consecuencia, los re-sultados de las mediciones deben interpretarse siempre con cuidado. Cuando no se disponga de informa-ción sobre el valor de ρ, se supondrá que ρ = 100 Ωm. No obstante, tal como indica la Tabla 1, el valor realpuede ser muy distinto, por lo que debe realizarse un ensayo de verificación a la terminación de la instala-ción, además de tomar en consideración las probables variaciones futuras debidas a las condiciones cli-matológicas y durante la vida útil de la instalación.

Sistemas de Puesta a Tierra - Fundamentos de Cálculo y Diseño

Figura 2 - Resistividad de un terreno arcilloso en

Tipo de terrenoResistividad del terreno ρ [Ωm]

Margen de valores Valor medio

Terreno pantanoso 2 - 50 30

Barro mezclado con paja 2 - 200 40

Terreno fangoso y arcilloso, humus 20 - 260 100

Arena y terreno arenoso 50 - 3.000 200 (húmedo)

Turba > 1.200 200

Grava (húmeda) 50 - 3.000 1.000 (húmedo)

Terreno pedregoso y rocoso 100 - 8.000 2.000

50 - 300 150

Tabla 1 - Resistividad del terreno ρ para varios tipos de suelo y hormigón [2.3]

Hormigón:1 parte de cemento + 3 partes de arena

1 parte de cemento + 5 partes de grava 100 - 8.000 400

2

Otro problema a la hora de determinar la resistividaddel suelo es el contenido de humedad, que puedecambiar dentro de un amplio margen, dependiendode la situación geográfica y de las condiciones del cli-matológicas, desde un bajo porcentaje para regionesdesérticas hasta aprox. un 80% para regiones panta-nosas. La resistividad del terreno depende en granparte de este parámetro. La Figura 2 ilustra la relaciónentre resistividad y humedad para arcilla. Se puedeobservar que, para valores de humedad superiores al30%, los cambios de ρ son muy pequeños y poco sig-nificativos. Sin embargo, cuando el suelo está seco, esdecir, con valores de h inferiores al 20%, la resistividadaumenta muy rápidamente.

En regiones de clima templado, por ejemplo en los países europeos, la resistencia de puesta a tierra cambiade acuerdo con la estación del año, debido a la dependencia de la resistividad del terreno de la humedad delsuelo. Para Europa, esta dependencia tiene una forma casi senoidal, con un valor máximo de la resistenciade puesta a tierra se produce en Febrero y un valor mínimo en Agosto. Los valores medios se presentan enMayo y Noviembre. La amplitud en Febrero es aproximadamente un 30% mayor que la media, mientras queen agosto es aprox. un 30% menor que la media [4].

Debe recordarse que la acción de las heladas es semejante al secado —la resistividad aumenta notable-mente.

Por estas razones, los cálculos de resistencia de tierra y la previsión de electrodos sólo pueden realizarse conun nivel limitado de precisión.

Propiedades eléctricas del sistema de puesta a tierraLas propiedades eléctricas de una puesta a tierra dependen esencialmente de dos parámetros:

resistencia de puesta a tierra;

configuración del electrodo de tierra.

La resistencia de la puesta a tierra determina la relación entre la tensión de tierra VE y el valor de corrientede tierra. La configuración del electrodo de tierra determina la distribución del potencial sobre la superfi-cie del terreno, que se produce como resultado de la circulación de corriente en la tierra. La distribución delpotencial sobre la superficie del terreno es un tema importante a considerar a la hora de valorar el grado deprotección contra descargas eléctricas, ya que determina los potenciales de contacto y de paso. Estas cues-tiones se analizan brevemente a continuación.

La resistencia de la puesta a tierra tiene dos componentes:

resistencia de disipación RD, que es la resistencia del terreno entre el electrodo de tierra y la tierrade referencia;

la resistencia RL de las piezas metálicas del electrodo de tierra y del conductor de puesta a tierra.

La resistencia RL es normalmente mucho menor que la resistencia de disipación RD. Por ello, normalmen-te se estima que la resistencia de puesta a tierra es igual a la resistencia de disipación RD. En la bibliografíarelativa, al mencionar: “resistencia de puesta a tierra” se alude normalmente a la resistencia de disipación.

Cualquier conexión de tierra facilitada por el suministrador aparece en paralelo con la puesta a tierra localy puede esperarse que presente una impedancia inferior a frecuencias fundamentales y armónicas. Sin em-bargo, la disponibilidad y las características de esta ruta están más allá del control del proyectista, y por ello


3

Figura 2 - Resistividad de un terreno arcilloso enfunción de la humedad del suelo h

ρ (Ωm)

no deberá considerarse en el diseño del sistema de puesta a tierra, que será el adecuado para la finalidadrequerida por la propia instalación.

Resistencia de puesta a tierra y distribución del potencial

En los circuitos de corriente alterna, esencialmente se tiene en cuenta la impedancia ZE de puesta a tierra,que es la impedancia entre el sistema de puesta a tierra y la tierra de referencia a una frecuencia de funcio-namiento dada. La reactancia del sistema de puesta a tierra es la reactancia del conductor de puesta a tie-rra y las partes metálicas del electrodo de tierra. A frecuencias bajas —la frecuencia de alimentación y losarmónicos asociados— esta reactancia es con frecuencia despreciable en comparación con la resistenciade puesta a tierra, pero debe tenerse en cuenta para altas frecuencias tales como los transitorios debidos adescargas eléctricas. Por ello, para bajas frecuencias se supone que la impedancia de puesta a tierra ZE esigual a la resistencia de disipación RD, que a su vez se supone que es aproximadamente igual a la resisten-cia de puesta a tierra, R:

ΖΕ ≈ RD ≈ R

La resistencia de puesta a tierra R de un electrodo de tierra depende de la resistividad del terreno ρ, así como dela geometría del electrodo. Con objeto de obtener valores bajos de R, la densidad de corriente que circula entreel metal del electrodo y la tierra debe ser baja,es decir, el volumen de tierra a través del cualfluye la corriente debe ser lo más elevado po-sible. Cuando la corriente pasa desde el metalhasta el terreno se dispersa, reduciéndose ladensidad de corriente. Si el electrodo es física-mente pequeño, p.ej., un punto, este efecto esgrande, pero se reduce mucho para una lámi-na, en donde la dispersión sólo es efectiva enlos bordes. Esto significa que los electrodos debarra, tubo o hilo tienen una resistencia de di-sipación mucho menor que, por ejemplo, unelectrodo de lámina con la misma área super-ficial. Además de esto, está bien documentadoen la bibliografía que la corrosión inducidapor las corrientes c.c. y c.a. aumentan con ladensidad de corriente. Una baja densidad decorriente prolonga la vida del electrodo.

El cálculo de la resistencia de puesta a tierrase realiza normalmente suponiendo que elterreno es ilimitado y de estructura uniforme,con un valor dado de resistividad. Sería posi-ble obtener unas ecuaciones exactas para ladeterminación de la resistencia de puesta atierra pero, en la práctica, su utilidad seríamuy limitada, en especial en el caso de elec-trodos de tierra complejos y mallados, en losque las relaciones matemáticas se hacen muycomplicadas. Asimismo, incluso una peque-ña imprecisión en el valor de la resistividadtiene una influencia decisiva en el valor de laresistencia de tierra real de electrodos detierra mallados, y a menudo es muy difícildeterminar la resistividad terrestre con la


∆V*

T

∆V*

S

Figura 3 - Ilustración de la noción de un electrodohemisférico, mostrando los parámetros necesarios para

calcular la resistencia de tierra y la distribución delpotencial en la superficie del terreno (con ρ = const)

r Radio del electrodox Distancia al centro del electrodo

aT, aS Distancias respectivas de contacto y pasoV* Valor de la distribución de potencial

∆V*T, ∆V*S Valores respectivos de las tensiones de contactoy paso

4

precisión necesaria. Por estas razones, normalmente se usan ecuaciones teóricas exactas para la determi-nación de la resistencia de puesta a tierra, solamente para estructuras sencillas de electrodos de tierra, conel fin de ilustrar la relación entre la tensión de tierra, la distribución del potencial en el terreno y la corrientede tierra. Para electrodos de tierra extendidos y mallados se usan aproximaciones para el cálculo de la re-sistencia del terreno.

Un modelo básico de la configuración del electrodo de tierra, que se usa para ilustrar las propiedades eléc-tricas fundamentales, es un hemisferio embebido en la superficie terrestre (Figura 3). Se supone que, la co-rriente de tierra que circula desde un electrodo de este tipo, fluye radialmente hacia el terreno. Se suponeque son equipotenciales tanto la superficie del hemisferio, así como las de todas las secciones transversa-les hemisféricas dx del terreno, por tanto las líneas de corriente son perpendiculares a estas superficies. Enestas condiciones, la resistencia del elemento hemisférico de espesor dx y radio x se expresa de la forma si-guiente (con ρ constante):

La resistencia del electrodo de hemisferio-tierra viene dada por:

La resistencia de la tierra depende mucho de cuan profundamente se haya enterrado el electrodo en elterreno. Esto se debe a que el contenido de humedad es mayor y más estable para capas profundas delterreno que para capas más superficiales. Las capas próximas a la superficie sufren más los efectos de lasvariaciones estacionales y, a corto plazo, de la climatología y pueden sufrir heladas. Este problema seilustra en la Figura 4, para un electrodo de tierra de barra, en donde puede verse la considerable reduc-ción de la resistencia terrestre conforme aumenta la profundidad de un electrodo de pica. Sin embargo,no siempre es posible colocar electrodos a la profundidad deseada por motivos geológicos, por ejemplo,cuando existen rocas u obstrucciones cerca de la superficie, o cuando el sistema de electrodos cubre unagran área.

Pueden distinguirse distintos tipos de electrodos de tierra, ta-les como:

electrodos de tierra superficiales sencillos, formados porpletinas o cables desnudos tendidos horizontalmente,ya sea conectados por un solo extremo o cerrados enanillo;

electrodos mallados, estructurados como una rejillacolocada horizontalmente a poca profundidad;

cable con cubierta metálica al descubierto o armadura,cuyo comportamiento es similar a un electrodo de tie-rra de tipo pletina;

electrodos de tierra en cimientos, formados por piezasestructurales conductoras, embebidos en los cimien-tos de hormigón, que proporcionan una gran superfi-cie de contacto con el terreno;

picas, que pueden estar formadas por un tubo, una ba-rra, etc. y se sitúan o entierran a una profundidad ma-yor de 1 m, normalmente con una longitud de 3 m a 30 mo más.


(2)

RD (Ω)

Figura 4 - Ejemplo de la resistencia de disipación de un electrodo de tierraconstituido por una barra de longitud

progresivamente creciente RD,en función de la profundidad d

dR = ——— dxρ

2 π . x2

(3)R = ——— ——=——ρ

2 πdxx2

ρ2 πrr

5

Los cuatro primeros dispositivos son electrodos de tierra superficiales, normalmente constituidos por pie-zas de cables o pletinas, dispuestos como electrodos radiales, anulares o mallados, o una combinación delos mismos, enterrados a una profundidad reducida de aprox. 1 m. Una ventaja importante de estas es-tructuras es la favorable distribución de potencial en la superficie. Las picas o electrodos de barra pertene-cen a los llamados electrodos de profundidad; la ventaja de estos es que pasan a través de capas del suelode diferente conductividad, y son particularmente adecuados en lugares en donde las capas inferiores pre-sentan una mala conductividad. De esta forma es posible obtener una resistencia de electrodo adecuada(Figura 4). Otra ventaja de las picas es que pueden instalarse en lugares en los que se dispone de una su-perficie reducida para instalar el electrodo. Sin embargo, la distribución del potencial en la superficie delterreno con electrodos del tipo “pica” no es favorable, por lo que en la práctica se usa una combinación deelectrodos de barra y tierra superficial mallada, con objeto de obtener una buena resistencia además de unadistribución deseable del potencial de superficie. La distribución de este potencial de superficie se trata enla siguiente sección.

En la Sección 6.5.1 se ofrecen descripciones más detalladas y las ecuaciones básicas relación a la resisten-cia de tierra de los electrodos más habituales.

Tensión de puesta a tierra y distribución del potencial superficial

La tensión de puesta a tierra, así como la distribución del potencial de superficie durante la circulaciónde corriente por el sistema de puesta a tierra, son parámetros importantes para la protección contradescargas eléctricas. Las relaciones básicas se muestran en el modelo de puesta a tierra indicado en laFigura 3.

El potencial de cualquier punto situado a una distancia x desde el centro del electrodo de tierra, por el quecircula la corriente de tierra IE, puede formularse con la siguiente ecuación:

y su valor relativo:

en donde VE es la tensión de puesta a tierra, que es equivalente al potencial de puesta a tierra (suponiendoque el potencial de la tierra referencia sea igual a cero). El potencial de puesta a tierra puede describirse dela forma siguiente:

La diferencia de potencial entre dos puntos sobre la superficie del terreno: uno a una distancia x y otro auna distancia x + aS en donde se supone que aS es igual a 1 metro, ilustra la tensión de paso ∆VS es decir, elpotencial de la superficie terrestre que existe entre dos pies de una persona que está de pie en esa posiciónsobre la superficie del terreno:


en donde x ≥ r.


(4)Vx = ——— ρΙΕ

2 πx

(4a)Vx = ——— Vx

VE

(5)VE =IERE = —— ρΙΕ

2 πr

(6)VS =—— — - ——ρΙΕ

2 π

1 1

x x + aS

(6a)VT = —— VT

VE

6

*

*

Puede describirse una relación similar para cualquier otra distancia x y a. En particular para x = r y a = aT =1m, la fórmula (6) permite el cálculo de la tensión de contacto, es decir, la tensión entre la palma de la ma-no y el pie de una persona que está justo tocando el electrodo de tierra o partes metálicas conectadas almismo:


Una ilustración práctica de las tensiones de contacto y de paso se muestra en la Figura 5. Las personas Ay B están sujetas a la tensión de contacto, mientras que la persona C está sometida a la tensión de paso.La tensión de contacto VT se diferencia a veces de la tensión de contacto de choque eléctrico VTS, (y latensión de paso VS de la tensión de paso de choque eléctrico VSS) Las tensiones VT y VS son los valores pu-ros resultantes de la distribución de potencial, mientras que VTS y VSS tienen en cuenta los pequeñoscambios de la distribución de potencial, debidos a la circulación de las corrientes de choque eléctrico, esdecir, incluyendo el efecto perturbador del flujo de corriente a través de la persona. En la práctica, la di-ferencia entre VS y VSS o VT y VTS son normalmente muy pequeños, por lo que se adoptan los mismos va-lores para los potenciales respectivos: VS ≈ VSS y VT ≈ VTS.

El lado izquierdo de la Figura 5 muestra la si-tuación para un electrodo de pica, mientrasque el lado derecho muestra la de un elec-trodo mallado. El electrodo de pica (1) tieneuna baja resistencia pero presenta una dis-tribución de potencial muy desfavorable,mientras que el electrodo mallado (2) tieneun perfil de potencial de tierra más plano. Elpotencial de contacto (persona A) es consi-derablemente mayor para el electrodo de pi-ca (1) que para el mallado (2), (persona B).Los potenciales de paso (persona C) tambiénson menos peligrosos en el caso del electro-do mallado.

Cuando no es posible proporcionar una tie-rra mallada, un electrodo anular (como espráctica común en Bélgica y Alemania, porejemplo), proporciona una solución inter-media que combina un coste y una seguridadrazonables.

La resistencia de puesta a tierra determina elvalor de la tensión de puesta a tierra, mientrasque la configuración del electrodo de tierratiene una notable influencia en la distribuciónde potencial sobre la superficie del terreno.Como es natural, esta configuración influyetambién en la resistencia de puesta a tierra–—un electrodo mallado hace contacto conun mayor volumen de tierra— por lo que la re-sistencia y la configuración deben considerarse


SPDpica (1)

SPDmallado (2)

Figura 5 - Comparación de la distribución de la tensiónsuperficial del terreno (SPD) durante un flujo de

corriente en el Sistema de Puestas a Tierra, para dostipos de electrodos de tierra

1 Pica

2 Mallado

VE Tensión de puesta a tierra

VT, VTS Tensión de contacto y de choque eléctrico porcontacto, respectivamente

VS, VSS Tensión de paso y de choque eléctrico de paso,respectivamente

IT Corriente de choque eléctrico por contacto

Ik Corriente de cortocircuito igual a la corriente quecircula por el sistema de puesta a tierra

A, B, C Personas sometidas a diferentes tensiones desuperficie

(7)VT =—— — - ——ρΙΕ

2 π

1 1

r r + aT

(7a)VT* = ——— VT

VE

7

conjuntamente. Obsérvese que, debido a que los sistemas deelectrodo mallado cubren grandes áreas, no es práctico enterrar-los profundamente, con lo que serían más sensibles a los cam-bios en el contenido de humedad del suelo. Puede obtenerse unamejor estabilidad de la resistencia si se incluyen varias barrasverticales en la malla.

Los electrodos mallados aumentan el área superficial, que sufreun aumento de tensión como resultado del flujo de corrientehacia el electrodo de tierra. Sobre el área de la malla existe una“superficie equipotencial”, pero en la periferia del electrodo sepresenta un gradiente de potencial, según se muestra en laFigura 6a. Aunque no existe potencial de contacto —porque la malla se extiende más allá de cualquier estructura metálicaen más de un metro— pueden producirse peligrosas tensiones de paso. Esta situación puede surgir, por ejemplo, en el sistema depuesta a tierra de una subestación. Con objeto de evitar este fe-nómeno, los elementos exteriores del electrodo de tierra malla-do deben colocarse a una mayor profundidad que el resto de larejilla (Figura 6c).

Propiedades de la puesta a tierra con pulsos decorriente elevados

Hasta ahora se han analizado las características de los sistemasde puesta a tierra suponiendo que una corriente moderada cir-cula en condiciones constantes a la frecuencia de la red. Las di-ferencias entre las propiedades de un sistema de puesta a tierrapara corrientes normales o impulsos se deben principalmente a:

circulación de corrientes con valores muy elevados, de hasta algunos cientos de kA;0

fuertes incrementos de corriente en tiempos muy cortos —el caso típico de impactos de rayos quealcanzan algunos cientos de kA/µs.

Una densidad de corriente extremadamente elevada en el suelo aumenta el valor del campo eléctrico en elterreno hasta el extremo de producir descargas eléctricas en pequeñas oquedades gaseosas, reduciendo laresistividad del terreno y la resistencia de puesta a tierra. Este fenómeno se produce principalmente cercadel electrodo de tierra, en donde la densidad de corrientees máxima, y su influencia es más destacada. La intensidadde este fenómeno es especialmente notable cuando el sue-lo está seco o presenta una elevada resistividad.

La inductancia de las piezas metálicas de los electrodosmetálicos, que puede estimarse de 1 µH/m, no se tiene encuenta habitualmente a la hora de considerar la impedan-cia del terreno a la frecuencia de red. Sin embargo, esta in-ductancia se convierte en un parámetro importante cuan-do es elevada la rapidez de respuesta de la corriente, en laregión de cientos de kA/µs o más. En el caso de impactos derayos, la caída de tensión inductiva (Lxdi/dt) alcanza valo-res muy elevados. En consecuencia, las piezas remotas delelectrodo de tierra juegan un papel reducido a la hora deconducir la corriente hasta la tierra.


Figura 6 - El fenómeno del potencialremanente. Distribución del potencialsuperficial del terreno para dos tipos

de electrodos mallados

a) Electrodo mallado planob) Planta del electrodoc) Electrodo con los elementos periféricos

situados a mayor profundidad que loscentrales.

Figura 7 - Máxima longitud lmax de los elec-trodos de tierra frente al rayo en función de

la resistividad del terreno y ρ

l max

(m)

ρ (Ωm)

8

La resistencia del terreno para las corrientes pulsantes aumenta en comparación con su resistencia paracondiciones estáticas. Por este motivo, el aumento de la longitud de los electrodos de tierra por encima dela llamada longitud crítica (Figura 7) no provoca ninguna reducción de la impedancia terrestre frente a lostransitorios.

Durante la caída de un rayo, los dos fenómenos descritos anteriormente tienen influencia, pero actúan ensentidos opuestos. La elevada corriente de tierra reduce la resistencia óhmica, mientras que la alta fre-cuencia aumenta la reactancia inductiva. La impedancia global puede ser mayor o menor, dependiendo dequé efecto es el dominante.

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

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

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

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

Referencias

[1] HD 637 S1 ‘Power installations exceeding 1 kV a.c’, 1999.

[2] ABB Switchgear Manual, 10th edition, Dusseldorf, Cornelsen Verlag 1999.

[3] IEC-364-5-54 (UNE 20460-5-54, 1990) “Instalaciones eléctricas en edificios - parte 5: elección e instalación de losmateriales eléctricos - capítulo 54: puesta a tierra y conductores de protección”.

[4] Rudolph W., Winter O. EMV nach VDE 0100. Schriftenreihe 66. VDE-Verlag GmbH. Berlin, Offenbach, 1955.(Nota.- La norma alemana VDE 0100 corresponde a la IEC-364 que, a su vez ha sido publicada en España por AENORcomo UNE 20460).


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Notas

Notas

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European Copper Institute168 Avenue de TervuerenB-1150 BrusselsBelgium

Tel: 00 32 2 777 70 70Fax: 00 32 2 777 70 79Email: [email protected]: www.eurocopper.org

Dr Antoni Klajn

Wroclaw University of TechnologyWybrzeze Wyspianskiego 2750-370 WroclawPoland

Tel: 00 48 71 3203 424Fax: 00 48 71 3203 596Email: [email protected]: www.pwr.wroc.pl

Wroclaw University of TechnologyWybrzeze Wyspianskiego 2750-370 WroclawPoland

Tel: 00 48 71 3203 920Fax: 00 48 71 3203 596Email: [email protected]: www.pwr.wroc.pl

Prof Henryk Markiewicz

Princesa, 7928008 MadridTel: 91 544 84 51Fax: 91 544 88 84

guia calidad 6 3-1 puesta a tierra - calculo y diseno

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