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.