Normas de referencia

IEEE Std 80-2000 "Guide for Safety In AC Substation Grounding."
IEEE Std 81-1983 "Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System".
IEEE Std 142 "Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems".
IEEE Std 367 "Recommended Practice for Determining the Electric Power Station Ground Potential Rise and Induced Voltage From a Power Fault".
IEEE Std 1100-2000 "Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment".
IEEE Std C62.92.4 "Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Part IV—Distribution".
IEEE Std C62.92.1 "Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems-Part I: Introduction."
ANSI/IEEE C62.92-1987 IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems Part I-Introduction
IEEE 1048 IEEE Guide for Protective Grounding of Power Lines.
IEEE 524A IEEE Guide to Grounding During the Installation of Overhead Transmisión Line Conductors
ASTM G162 Standard Practice for Conducting and Evaluating Laboratory Corrosions Tests in Soils.
ASTM G 162 -99 "Standard Practice for Conducting and Evaluating Laboratory Corrosions Tests in Soils".
ASTM G57-95a "Estandard Test Method for Field measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four- Electrode Method".
RETIE Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas.

Procedimiento de medida

Consideraciones de Seguridad
Cuando se está haciendo la medición de la resistencia de puesta a tierra se podría quedar expuesto a gradientes de potencial letales que pueden existir entre la tierra a medir y la tierra remota. Para ello es importante tener muy presente las siguientes recomendaciones:

• No deben ser realizadas mediciones en condiciones atmosféricas adversas.

• La puesta a tierra debe estar desconectada de las bajantes de los pararrayos, del neutro del sistema y de las tierras de los equipos.

• Antes de proceder a la medición, debe medirse la tensión originada por corrientes expurgas. Si supera los 30 Voltios, no debe medirse la resistencia y debe localizarse la falla.

• Se debe utilizar guantes aislados y calzado con suela dieléctrica. Adicionalmente se deben conocer los requisitos de seguridad establecidos en la OSHA 1910.269.

• Uno de los objetivos de la medición es establecer la localización de la tierra remota tanto para los electrodos de potencial como de corriente; Por tanto, las conexiones de estos electrodos deben ser tratadas como una fuente de posible potencial entre los cables de conexión y cualquier punto sobre la malla. Es importante tener precauciones en la manipulación de todas las conexiones.

Bajo ninguna circunstancia se deben tener las dos manos o partes del cuerpo humano que complete o cierre el circuito entre los puntos de posible diferencia de alto potencial.

• Se debe procurar que alrededor del electrodo de corriente no haya curiosos ni animales durante la medida.

• Se deberán tener en cuenta además las recomendaciones dadas por el fabricante del equipo y el equipo adecuado para la medición.

Medición de RPT en Pararrayos: La medición de ésta RPT es de especial cuidado puesto que pueden aparecer, en el momento de la medida, corrientes extremadamente altas de corta duración debido a descargas atmosféricas por el funcionamiento propio del pararrayo. En un pararrayos aislado y puesto a tierra, la bajante o conductor de puesta a tierra nunca debe ser desconectada para realizar la medición porque la base del pararrayos puede estar elevada al potencial de la línea. La medición debe ser realizada una vez se tengan todas las precauciones de rigor.

Medición de Sistemas de RPT de Subestaciones: Se debe tener presente de la presencia de un potencial peligroso entre la malla de puesta a tierra y la tierra remota si una falla en el sistema de potencia involucra la malla de puesta a tierra de la subestación durante la medida.

Consideraciones de orden práctico

• Los electrodos y placas deben estar bien limpios y exentos de oxido para posibilitar el contacto con el suelo.

• Los electrodos de tensión y corriente deben estar firmemente clavados en el suelo y tener un buen contacto con tierra.

• Las mediciones deben realizarse en días de suelo seco para obtener el mayor valor de resistencia de puesta a tierra de la instalación.

• Desconectar todos los componentes del sistema de puesta a tierra en estudio.

• La puesta a tierra bajo estudio y los electrodos de prueba deben estar en línea recta.

Espaciamiento y dirección de las medidas
La distancia entre el sistema de puesta a tierra y el electrodo de corriente, debe ser superior a 5 veces la mayor dimensión lineal del sistema de puesta a tierra bajo estudio. Esta distancia nunca debe ser inferior a 30 metros para un sólo electrodo o varilla, ni inferior a 100 metros en el caso de mallas de subestaciones.

El electrodo de potencial (P) debe ser colocado al 62% entre el sistema de puesta a tierra y el electrodo de corriente (I).

Se debe realizar varias mediciones de RPT para diferentes ubicaciones del electrodo de potencial (P), sin mover el electrodo de corriente (C). Para comprobar la exactitud de los resultados y asegurar que el electrodo bajo prueba está fuera del área de influencia del de corriente, se deberá cambiar de posición el electrodo de potencial (P) un metro ó mas hacia el electrodo de corriente (C). Luego se corre el electrodo de potencial un metro o más (respecto al punto inicial) hacia el sistema de puesta a tierra bajo estudio y se toma una tercera medida.

Si hay un cambio significativo en el valor de la resistencia (mayor al 10%) se debe incrementar la distancia entre el electro de corriente (C) y la puesta a tierra repitiendo el procedimiento anterior, hasta que el valor de resistencia medido se mantenga casi invariable.

Es aconsejable repetir el proceso de medición en una dirección distinta lo que aumenta la confiabilidad de los resultados.

DISPOSITIVOS, EQUIPOS Y MATERIALES
Electrodos: Fabricado de acero estructural de bajo carbón o acero inoxidable tipo martensítico con un diámetro desde 0.475 a 0.635 cm y longitudes desde 30 hasta 60 cm. La varilla debe tener tratamiento térmico para que tengan suficiente rigidez para poder ser hincada en suelos secos o gravilla. Los electrodos deben tener un mango, palanca u otro accesorio para ser hincados y un conector terminal para conectar el cable o alambre. El electrodo varilla debe ser liso. Los electrodos tipo roscado no son recomendados ya que dejan un aire atrapado entre la varilla y suelo creando una alta resistencia de contacto.

Cableado: El calibre del cable va desde 18 a 22 AWG de cobre, conductor de cableado B normal según ASTM B8. Cuando el equipo viene para distancias normalizadas y fijas en su medición el cable puede ser multiconductor y apantallado y con los terminales de conexión. Los terminales de conexión para el cable deberán ser de buena calidad y asegurar una baja resistencia de contacto de acuerdo con lo especificado en la UL-486 B. El aislamiento de cable debe ser para uso pesado, no se debe desgastar contra el roce o abrasión que sufre el cable contra el piso. El cable debe estar empacado en carretes para su fácil transporte y manipulación.

Herramienta de Hincado: En suelos normales es recomendado un martillo de mano de 2 a 4 Kg para hincar el electrodo tipo varilla en el suelo a profundidades de 2 a 3 metros. Calibración de la medida: Para la medición de resistencia de puesta a tierra un buen equipo es vital, que esté calibrado mínimo cada año o después de 100 mediciones, cualquiera de las dos que ocurra primero y las recomendaciones del fabricante del equipo. El dispositivo debe ser bien seleccionado cuando se adquiere para tener medidas de alta calidad, también los materiales auxiliares como los electrodos.

La medida de la RPT mediante medidor tipo pinza, esun método práctico que viene siendo ampliamente usado para medir la puesta a tierra en sitios donde es imposible usar el método convencional de caída de potencial, como es el caso de lugares densamente poblados, celdas subterráneas, centros de grandes ciudades, entre otros.
El medidor tipo pinza mide la resistencia de puesta a tierra de una varilla o sistema de puesta a tierra simplemente abrazando el conductor de puesta a tierra o bajante como lo ilustra la figura.

El principio de operación es el siguiente:

El neutro de un sistema multiatterizado puede ser representado como el circuito simple de resistencias de puesta a tierra en paralelo. Si un voltaje “E” es aplicado al electrodo o sistema de puesta a tierra Rx, la corriente “I” resultante fluirá a través del circuito.
Típicamente los instrumentos poseen un oscilador de voltaje a una frecuencia de 1.6 kHz y la corriente a la frecuencia generada es recolectada por un receptor de corriente. Un filtro interno elimina las corrientes de tierra y ruido de alta frecuencia.

El método posee las siguientes limitaciones:

• La aplicación es limitada a electrodos conectados a sistemas multiaterrizados de baja impedancia.

• Conexiones corroídas o partidas del neutro del sistema (o cable de guarda) pueden influenciar las lecturas.

• No es aplicable a sistemas de puesta a tierra aterrizados en múltiples puntos (torres de transmisión o mallas de subestaciones).

• Ruido de alta frecuencia en el sistema podría influenciar las lecturas.

• Altas resistencias en las conexiones con el electrodo de puesta a tierra.

• El cable de conexión con el electrodo abierto.

Es importante tener muy presente que si se está midiendo en postes donde no es accesible el conductor de puesta a tierra o donde se puede estar midiendo dos electrodos en paralelo, se debe usar un transformador de corriente de gran tamaño disponible por algunos fabricantes.

Medida de resistencia de puesta a tierra sobre pavimentos o suelos de concreto

En ocasiones el sistema de puesta a tierra se encuentra rodeado de suelos cubiertos por pavimentos, concreto o cemento y en los cuales no es fácil la colocación de los electrodos de prueba tipo varilla. En tales casos pueden usarse placas de cobre para reemplazar los electrodos auxiliares y agua para remojar el punto y disminuir la resistencia de contacto con el suelo, como se ilustra en la figura.

Los procedimientos y requerimientos para la implementación de este método de medición deberá estar acorde a lo indicado en la ASTM D 3633-98 "Estandard Test Method For Electrical Resistivity Of Membrane- Pavement Systems".

Las placas de cobre deberán ser dispuestas a la misma distancia en que se colocarían los electrodos auxiliares de acuerdo al método de la Caída de Potencial. Las dimensiones de la placa deberán ser de 30x30 cm y espesor de 3.8 cm Se debe verter agua sobre las placas y remojar el sitio donde serán ubicadas para mejorar el contacto con el suelo. Las placas realizarán la misma función de los electrodos auxiliares.

Valores recomendados de Resistencia de Puesta a Tierra

Un buen diseño de puesta a tierra debe reflejarse en el control de las tensiones de paso, de contacto y transferidas; sin embargo, la limitación de las tensiones transferidas principalmente en subestaciones de media y alta tensión es igualmente importante. En razón a que la resistencia de puesta a tierra es un indicador que limita directamente la máxima elevación de potencial y controla las tensiones transferidas, pueden tomarse los siguientes valores máximos de resistencia de puesta a tierra (RPT) adoptados de las normas técnicas IEC 60364-4-442, ANSI/IEEE 80, NTC 2050, NTC 4552:

Cuando por valores altos de resistividad del terreno, de elevadas corrientes de falla a tierra o tiempos de despeje de la misma, o que por un balance técnico-económico no resulte práctico obtener los valores de la tabla de valores de resistencia a tierra, siempre se debe garantizar que las tensiones de paso, contacto y transferidas en caso de un falla a tierra no superen las máximas permitidas.

Resistividad del suelo

La resistividad del suelo varía con la profundidad, el tipo y concentración de sales solubles, el contenido de humedad y la temperatura del suelo. La presencia de agua superficial no necesariamente indica baja resistividad. Dado el impacto de éste parámetro en el valor final de la resistencia de puesta a tierra (RPT), es necesario que la resistividad del suelo en el sitio donde será ubicado el sistema de puesta a tierra, sea medida en forma precisa.

Constitución de una puesta a tierra

La resistencia ofrecida al paso de la corriente eléctrica a través de un electrodo hacia el suelo tiene tres componentes principales, como se observa en la figura:

1. Resistencia del electrodo (metal): La cual es despreciable en comparacion con el item 3.

2. Resistencia de contacto entre el electrodo y el suelo. Se puede despreciar si el electrodo esta exento de cualquier cubierta aislante como tintas, pinturas, grasa, entre otros, y si la tierra esta bien compactada en la zona de contacto de sus paredes.

3. Resistencia de la tierra circundante: ésta es realmente la componente que influye en el valor de la resistencia de una puesta a tierra y depende básicamente de la resistividad del suelo y de la distribución de la corriente proveniente del electrodo.

Alrededor del electrodo de puesta a tierra, la resistencia del suelo es la suma de las resistencias serie de las celdas o capas concéntricas circundantes del suelo, localizadas progresivamente hacia fuera del electrodo.

Como se ilustra en la figura, a medida que aumenta la distancia, las capas del suelo presentan una mayor área transversal a la corriente y por tanto una menor resistencia. Se sigue entonces que la resistencia de puesta a tierra reside esencialmente en las capas de suelo más próximas al electrodo. Normalmente para una varilla de 2.4 metros, el 90% del valor de la resistencia de puesta a tierra se encuentra dentro de un radio de 3.0 metros.

Requisitos básicos de una puesta a tierra

Los requisitos principales de una puesta a tierra se pueden resumir en lo siguiente:

• Permitir la conducción a tierra de cargas estáticas o descargas atmosféricas.

• Garantizar a niveles seguros los valores de la tensión a tierra de equipos o estructuras accidentalmente energizados y mantener en valores determinados la tensión fase–tierra de sistemas eléctricos, fijando los niveles de aislamiento.

• Permitir a los equipos de protección aislar rápidamente las fallas.

Ahora bien, para realizar adecuadamente estas funciones, una puesta a tierra debe presentar las siguientes características:

• Baja resistencia

• Capacidad de conducción.

De una forma general se espera que una puesta a tierra tenga suficiente capacidad de dispersión de determinados valores de corriente hacia el suelo sin permitir que los potenciales en la superficie de éste suelo tenga niveles comprometedores para la seguridad de las personas por causa de una falla (control de gradiente de potencial).

Aspectos Tecnicos - Generalidades

Se entiende por puesta a tierra la unión eléctrica de un equipo o componente de un sistema eléctrico a la tierra por medio de dispositivos conductores de electricidad adecuados.
El termino normalizado para designar la resistencia ofrecida al paso de una corriente eléctrica para el suelo a través de una puesta a tierra es “Resistencia de Puesta a Tierra”.

Una puesta a tierra presenta resistencia, capacitancia e inductancia, cada cual influyendo en la capacidad de conducción de corriente por la tierra. Por lo tanto, no se debe pensar solamente en una resistencia de puesta a tierra, sino más bien en una impedancia. Para bajas frecuencias, bajas corrientes y valores de resistividad del suelo no muy elevados, son despreciables los efectos capacitivos y de ionización del suelo y el mismo se comporta prácticamente como una resistencia.

En el caso de altas frecuencias, es necesario considerar también el efecto capacitivo, principalmente en suelos de altas resistividades. Las ondas tipo rayo sufren la oposición de la reactancia inductiva de las conexiones al penetrar el suelo.

DEFINICIONES

Las definiciones están establecidas de acuerdo a las normas IEEE Std 81-1983 y ASTM G 57-95 a.

Sistema de Puesta a Tierra (SPT) (Grounding System): Conjunto de elementos conductores de un sistema eléctrico específico, sin interrupciones ni fusibles, que unen los equipos eléctricos con el suelo o terreno. Comprende la puesta a tierra y todos los elementos puestos a tierra.

Suelo: Sistema natural, resultado de procesos físicos, químicos y biológicos, con componentes principalmente minerales y sólidos inertes que le dan estabilidad, en conjunto con líquidos y gases que definen su comportamiento eléctrico.

Electrodo de Puesta a Tierra (Grounding Electrode): Conductor en íntimo contacto con el suelo, para proporcionar una conexión eléctrica con el terreno. Puede ser una varilla, tubo, placa, cinta, o cable.

Puesta a tierra (Grounding): Grupo de elementos conductores equipotenciales, en contacto eléctrico con el suelo o una masa metálica de referencia común, que distribuyen las corrientes eléctricas de falla en el suelo o en la masa. Comprende: Electrodos, conexiones y cables enterrados. También se le conoce como toma de tierra o conexión a tierra.

Puesto a Tierra (Grounded): Toda conexión intencional o accidental del sistema eléctrico con un elemento considerado como una puesta a tierra. Se aplica a todo equipo o parte de una instalación eléctrica (neutro, centro de estrella de transformadores o generadores, carcazas, incluso una fase para sistemas en delta, entre otros), que posee una conexión intencional o accidental con un elemento considerado como puesta a tierra.

Tierra (Ground o Earth): Para sistemas eléctricos, es una expresión que generaliza todo lo referente a sistemas de puesta a tierra. En temas eléctricos se asocia a suelo, terreno, tierra, masa, chasis, carcaza, armazón, estructura o tubería de agua. El término “masa” solo debe utilizarse para aquellos casos en que no es el suelo, como en los aviones, los barcos, los carros y otros.

Conductor del Electrodo de Puesta Tierra (Grounding Electrode Conductor): Conductor que es intencionalmente conectado a una puesta a tierra, sólidamente para distribuir la tierra a diferentes sitios de una instalación.

Resistividad del Suelo: Representa la resistencia específica del suelo a cierta profundidad, o de un estrato del suelo; se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo; su magnitud se expresa en (Ohm-m) o (Ohm-cm), es inversa a la conductividad. La resistividad eléctrica (ρ): Es la relación entre la diferencia de potencial en un material y la densidad de corriente que resulta en el mismo. Es la resistencia específica de una sustancia. Numéricamente es la resistencia ofrecida por un cubo de 1m x 1m x 1m, medida entre dos caras opuestas.

Resistividad Aparente: Es la resistividad obtenida con una medida directa en el suelo natural, bajo el esquema geométrico especificado por el método de cuatro (4) electrodos, aplicado con circuitos independientes de corriente y potencial, sólo es representativo para un punto de la característica del suelo estratificado.

Resistencia Mutua de Electrodos: Fenómeno resistivo que aparece entre electrodos de puesta a tierra o puntos próximos en el suelo, mediante el cual, la corriente que se dispersa a través de uno de ellos, modifica el potencial del otro. Su unidad es el (Ohm).

Potencial Eléctrico: Es la diferencia de carga eléctrica entre un punto y alguna superficie equipotencial que generalmente es la superficie del suelo, la cual es seleccionada arbitrariamente como de potencial cero o tierra remota. Un punto el cual tiene un potencial más alto que el cero se llama potencial positivo y en caso contrario potencial negativo.

Tierra Remota: También denominada Tierra de Referencia, es el lugar o la zona de mínima resistencia, más próxima del suelo subyacente a una instalación eléctrica o a una puesta a tierra, respecto de las cuales se le atribuye por convención el Potencial cero.

Acero inoxidable martensítico. Aceros al cromo (11.5% a 18%) con alto contenido de carbón (0.15% a 1.2%). Presentan elevada dureza y resistencia mecánica, se endurecen por tratamiento térmico y son magnéticos.

Acero inoxidable Austenístico. Aceros al cromo-níquel (16% a 30% Cr y 6% a 22% Ni) con bajo contenido de carbón (0.20% máximo). Presentan elevada resistencia a la corrosión, ductilidad y gran facilidad de limpieza; se endurecen por trabajo en frío y no son magnéticos.

Concepto de Sistema de puesta a tierra

Un sistema de puesta a tierra es el sistema más seguro y efectivo, para minimizar o eliminar los efectos de las tensiones por contacto indirecto con una estructura metalizada, en una instalación eléctrica para garantizar la seguridad de las personas que hagan uso de ella.

Objetivos de un Sistema de puesta a tierra

Los objetivos de instalar la puesta a tierra en conductores eléctricos, materiales y partes de equipo que no deben transportar corrientes eléctricas indeseables en forma permanente son:

• Conducir a tierra todas las corrientes de fuga, producidas por una falla de aislamiento que haya energizado las carcasas de los equipos eléctricos.
• Evitar que en las carcasas metálicas de los equipos eléctricos aparezcan tensiones que resulten peligrosas para la vida humana.
• Permitir que la protección del circuito eléctrico (disyuntor magnético térmico), despeje la falla, en un tiempo no superior a 5 segundos.
•  Limitar sobretensiones debidas a descargas atmosféricas y fenómenos transitorios.
• Limitar la diferencia de potencial a tierra en un circuito, durante su operación normal. Elementos que conforman un sistema de puesta a tierra.

En general los objetivos de un SPT son la seguridad de las personas, la protección de las instalaciones y la compatibilidad electromagnética.

Electrodos de puesta a tierra

Contacto entre las instalaciones eléctricas y el suelo. La conductividad eléctrica del suelo, sirve de soporte eléctrico y da la seguridad a instalaciones y equipos eléctricos.

Barrajes o conductores equipotenciales

Barras de sección rectangular o cilíndrica que permiten el agrupamiento de múltiples conexiones a tierra en un punto.
Entre los principales equipos y áreas que se deben dotar de barrajes equipotencialmente encontramos: equipos de acometidas, subestaciones, salas de equipos, entre otros.

Conductores de enlace

Transmiten el potencial de seguridad y referencia existente en el suelo a cualquier equipo o lugar de la instalación. Estos conductores deben tener un correcto dimensionamiento, para que sea efectiva la seguridad y estabilidad de los electrodos de puesta a tierra a un componente que esté en puntos remotos con respecto a estos.

Los conductores de enlaces son los siguientes:
· Conductor del electrodo de puesta a tierra: enlaza, mediante el primer barraje equipotencial de la instalación, el electrodo de puesta a tierra con el conductor de puesta a tierra.
· Conductor de puesta a tierra del sistema: es aquel que viene del primer barraje equipotencial y recorre la instalación llegando a todas las áreas ni equipos donde están los barrajes equipotenciales. No tiene ni empalmes ni uniones. Se considera también como el principal conductor para la puesta a tierra de equipos.
· Puentes de conexión equipotencial: conductores o uniones con mínima resistencia eléctrica, para así tener la continuidad necesaria entre las partes que están conectadas entre si. El puente de conexión más importante es un puente con mínima resistencia y sin ningún empalme, éste está entre el lado del suministro, el conductor de puesta a tierra de la acometida y el conductor de puesta a tierra.; otro puente es el que está entre varias partes del conductor de puesta a tierra a equipos que son los puentes de conexión equipotencial, el cual consiste en conductores o uniones que tienen una mínima resistencia

Conectores y soldaduras

Los elementos que conforman el sistema de puesta a tierra deben soportar las condiciones ambientales del sitio donde están instalados, tener una mínima resistencia eléctrica y capacidad para soportar las corrientes de falla que se puedan presentar. Las conexiones de estos se realizan con soldadura exotérmica o conectores mecánicos aprobados.


Cumpliendo estás condiciones se logra tener un sistema de puesta a tierra seguro y en optimas condiciones.
Los parámetro de construcción e instalación de los componentes y elementos de un sistema de puesta a tierra, están establecidos en la NTC 2050 en la sección 250, 250-81, 250-83, 250-94, 250-95.