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Ingeniera Campodónico Monje Tabata Ingeniera en Electrónica Especialista en Energías Renovables CIV Nº 266743

La Paz abril 2017

DISEÑO DE SISTEMAS DE PUESTA ATIERRA CURSO En consideración de la importancia de establecer los principios de seguridad eléctrica en el diseño, desarrollo e implementación de estructuras, que contemplen o no, la generación de energía eléctrica, con el fin de proteger no solamente a toda aquella persona que interactué con estas edificaciones (de manera permanente o transitoria), sino también a los equipos que alberga, y a la propia instalación en sí misma. Es por este escenario, que se ha diseñado este curso, orientado a la construcción colectiva de los criterios de proyección y procedimientos de cálculo, necesarios para diseñar, un sistema de puesta a tierra, para instalaciones de mediana envergadura, estableciendo los fundamentos de medición de la resistencia a tierra necesarios para tal implementación. Como herramientas soportes, se reconoce la necesidad de poder contar con un abanico de programas de apoyo, que proporcionan celeridad a la tarea de poder dar forma a un sistema de puesta a tierra, siempre partiendo de la premisa de que es un instrumento para hacer efectivo un conocimiento preexistente en tiempos mucho más cortos, en tal sentido, este curso proporciona tales herramientas y su manera correcta de utilizarlas. OBJETIVO: Proporcionar las herramientas técnicas, teóricas, informáticas y metodológicas, necesarias para comprender e internalizar los conceptos fundamentales de medición, criterios, interpretación y evaluación de su confiabilidad de los parámetros de resistencia a tierra, con el fin de diseñar, calcular, implementar, supervisar y establecer los principios de seguridad en las diferentes etapas necesarias para hacer efectivo un sistema de puesta a tierra, empleando de

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manera efectiva distintos paquetes informáticos requeridos para tal objetivo (MAPLE, QB64, SCT y WEN2080).

TEMA 1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES. RESISTENCIA A TIERRA SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Por puesta a tierra generalmente entendemos una conexión eléctrica a la masa general de la tierra, siendo esta última un volumen de suelo, roca etc., cuyas dimensiones son muy grandes en comparación al tamaño del sistema eléctrico que está siendo considerado. Antes de exponer definiciones, es importante notar que en Europa se tiende a usar el término «earthing», mientras que en Norte América es más común el término «grounding». La definición de la IEEE de puesta a tierra es: “Tierra (sistema de tierra). Una conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por medio de la cual un circuito eléctrico o equipo se conecta a la tierra o a algún cuerpo conductor de dimensión relativamente grande que cumple la función de la tierra”.

Fig. 1. Esquema de un Sistema de Puesta a Tierra

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Para desempeñarse adecuadamente cumpliendo cualquiera de las funciones anteriores, el sistema de tierra debe generalmente tener una baja impedancia, de modo que ya sea dispersando o recogiendo corriente desde el terreno, no se produzca un aumento de voltaje excesivo. Por supuesto en el interior de instalaciones es también necesaria una conexión a tierra, para asegurar la correcta operación del equipo -por ejemplo dispositivos electrónicos, donde puede ser necesaria una pantalla a tierra. Es esencial considerar la puesta a tierra en una instalación global como un sistema completo y, por lo tanto, diseñaría e instalarla correspondientemente. La puesta a tierra de instalaciones eléctricas está relacionada en primer lugar con la seguridad. El sistema de puesta a tierra se diseña normalmente para cumplir dos funciones de seguridad. La primera es establecer conexiones equipotenciales. Toda estructura metálica conductiva expuesta que puede ser tocada por una persona, se conecta a través de conductores de conexión eléctrica. La mayoría de los equipos eléctricos se aloja en el interior de cubiertas metálicas y si un conductor energizado llega a entrar en contacto con éstas, la cubierta también quedará temporalmente energizada. La conexión eléctrica es para asegurar que, si tal falla ocurriese, entonces el potencial sobre todas las estructuras metálicas conductivas expuestas sea virtualmente el mismo. En otras palabras, la conexión eléctrica iguala el potencial en el interior del local, de modo que las diferencias de potencial resultantes son mínimas. De este modo, se crea una “plataforma” equipotencial. Puesta a tierra de protección Es la puesta a tierra cuyo objetivo es proteger a las personas y animales contra los riesgos derivados de contactos con partes conductoras que, estando no sometidas normalmente a tensión, puedan estar sometidas a tensiones peligrosas como consecuencia de un defecto de aislamiento de la instalación (MASAS). Para lograr este objetivo de protección debe realizarse una puesta a tierra adecuada, y conectar a la misma todas las masas de la instalación.

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Puesta a tierra funcional Es la puesta a tierra cuyo objetivo es asegurar el correcto funcionamiento del equipamiento eléctrico y permitir un correcto y confiable funcionamiento de la instalación. Dependiendo de las características de la instalación, la puesta a tierra de protección y la funcional pueden ser independientes o en una misma puesta a tierra combinarse ambas funciones. En este último caso, en el diseño de la puesta a tierra debe darse prioridad a las prescripciones establecidas para la puesta a tierra de protección. NECESIDADES DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Los sistemas de puesta a tierra son uno de elementos más importantes destinados a la protección de seres humanos, animales y cargas conectadas a la instalación contra las influencias de la corriente eléctrica. La intención de poner a potencial de tierra partes conductivas accesibles activas y pasivas de elementos eléctricos es conducir el posible potencial eléctrico que puede generarse en caso de cualquier falla en las cargas eléctricas al potencial de tierra. Las puestas a tierra pueden ejecutarse de varias maneras. Normalmente se hace por medio de redes de metal, cintas metálicas, chapa metálica, jabalinas tubulares, etc. La complejidad de la puesta a tierra depende del suelo, del objeto que tiene que ser conectado eléctricamente a él y de la resistencia máxima de puesta a tierra que se permite para un caso particular. Las razones que más frecuentemente se citan para tener un sistema aterrizado, son: Proporcionar una impedancia suficientemente baja para facilitar la operación satisfactoria de las protecciones en condiciones de falla. Asegurar que seres vivos presentes en la vecindad de las subestaciones no queden expuestos a potenciales inseguros, en régimen permanente o en condiciones de falla. Mantener los voltajes del sistema dentro de límites razonables bajo condiciones de falla (tales como descarga atmosférica, ondas de maniobra o contacto inadvertido

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con sistemas de voltaje mayor), y asegurar que no se excedan los voltajes de ruptura dieléctrica de las aislaciones. Hábito y práctica. En transformadores de potencia puede usarse aislación graduada. Limitar el voltaje a tierra sobre materiales conductivos que circundan conductores o equipos eléctricos. Otras razones citadas menos frecuentemente, incluyen: Estabilizar los voltajes fase a tierra en líneas eléctricas bajo condiciones de régimen permanente, por ejemplo, disipando cargas electrostáticas que se han generado debido a nubes, polvo, agua, nieve, etc. Una forma de monitorear la aislación del sistema de suministro de potencia. Para eliminar fallas a tierra con arco eléctrico persistente. Para asegurar que una falla que se desarrolla entre los enrollados de alto y bajo voltaje de un transformador pueda ser manejada por la protección primaria. Proporcionar una trayectoria alternativa para las corrientes inducidas y de tal modo minimizar el “ruido” eléctrico en cables. Proporcionar una plataforma equipotencial sobre la cual pueda operar equipo electrónico. Objetivos del sistema de puesta a tierra: Habilitar la conexión a tierra en sistemas con neutro a tierra. Proporcionar el punto de descarga para las carcasas, armazón o instalaciones. Asegurar que las partes sin corriente, tales como armazones de los equipos, estén siempre a potencial de tierra, aun en el caso de fallar en el aislamiento. Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de proceder en ellos a trabajos de mantenimiento.

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SITUACIONES DE PELIGRO PARA LAS PERSONAS La electricidad es el soporte fundamental para el progreso tecnológico. Resultan evidentes las ventajas que ella representa, tanto en la vida doméstica como en el ámbito laboral. Sin embargo, a pesar del control que sobre ella tenemos, nos vemos igualmente expuestos al riesgo de sufrir algún accidente por esta causa.

Fig. 2. Señalización de Riesgo Eléctrico La electricidad no se ve. De este fenómeno, que escapa a nuestros sentidos, sólo se perciben sus manifestaciones externas; luz, calor, movimiento. La electricidad es muy peligrosa, tanto más cuanto no es perceptible por nuestros sentidos: No tiene olor. No puede ser detectada con la vista (un cable sometido a tensión no puede ser distinguido de uno que no lo esté). No se aprecia con el oído. Como consecuencia, el trabajador está sometido, muy a menudo, a riesgos que son ignorados o subestimados. EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA SOBRE EL SER HUMANO Para entender los efectos que la corriente puede tener en el cuerpo humano se presenta el siguiente cuadro, que relaciona la cantidad de amperaje con el efecto sobre el cuerpo:

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Miliamperios

Efecto de la electricidad

0-1

Umbral de percepción

1-8

Sorpresa fuerte, sin perder control muscular.

9-15

Reacción violenta, separándose del objeto.

16-50

Paralización muscular (tétano), fuertes contracciones y dificultad para respirar.

51-100

Puede causar fibrilación ventricular.

101-200

Fatal, siempre con fibrilación ventricular.

Fuertes contracciones que oprimen el corazón, 201 o más evitando la fibrilación. Quemaduras y bloqueo nervioso. Tabla 1. Efectos de la corriente en el ser humano Factores que Determinan el Daño en el Ser Humano El organismo humano puede soportar tan sólo una pequeña cantidad de corriente eléctrica. Dada esta premisa, si se sobrepasa tal límite, sobrevienen graves trastornos musculares, cardíacos y respiratorios que pueden costar la vida de la persona afectada. Veamos a continuación los factores que determinan la magnitud del daño: Resistencia del individuo al paso de la corriente: la piel seca del ser humano ofrece resistencia al paso de la corriente eléctrica. Pero la piel húmeda pierde esta capacidad casi por completo. Trayecto de la corriente por el organismo: la corriente eléctrica al circular por el cuerpo puede afectar órganos vitales (cerebro, corazón, pulmones, riñones, etc.), con fatales consecuencias. Voltaje o tensión de corriente: a mayor voltaje, mayor fuerza, y por lo tanto mayor peligro para las personas. Tiempo de contacto: a mayor tiempo de contacto pasa más corriente por el organismo y más severos son los daños.

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Intensidad de corriente: el organismo humano sólo puede soportar pequeñas cantidades de corriente eléctrica.

Fig. 3. Distribución de Lesiones por Arco de Corriente Riesgo Según la Relación Intensidad de Corriente - Tiempo En la tabla contigua, presentamos la relación intensidad de corriente – tiempo, que puede causar la muerte en humanos:

Tabla 2. Relación Intensidad de Corriente - Tiempo

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Consideraciones de Recorrido de Corriente al Contacto

Fig. 4. Consideraciones del recorrido de la corriente en el Cuerpo Humano Efectos de la Electricidad Según la Frecuencia Para corrientes eléctricas de frecuencia superior a 50 Hz la peligrosidad disminuye progresivamente a efectos de fibrilación ventricular, aunque prevalecen los efectos térmicos de la corriente. La corriente continua, en general, no es tan peligrosa como la corriente alterna, básicamente por ser más fácil soltarse y por ser el umbral de fibrilación ventricular mucho más elevado. Efectos de la Electricidad Según el Recorrido por el Cuerpo

Fig. 5. Recorrido de la Electricidad por el Cuerpo Humano

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Tipología del Riesgo Eléctrico Contacto Eléctrico Directo. Cuando entramos en contacto con algún elemento que habitualmente está en tensión. Contacto Eléctrico Indirecto. Cuando entramos en contacto con algún elemento que accidentalmente está en tensión.

Tabla 3. Clasificación de los Contactos Eléctricos De esta clasificación decanta una incidencia de accidentes eléctricos, que es importante considerar, más aún teniendo en cuenta, su relación con la existencia, y diseño de un sistema de puesta a tierra.

Tabla 4. Porcentaje de Accidentes Eléctricos Accidentes Eléctricos por Defectos en las Instalaciones Cable de puesta a tierra seccionado o no conectado 28,8 % Sistema de protección contra contactos directos no adecuado 26,9% Fallo del dispositivo diferencial 23,1%

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Inexistencia de puesta a tierra 15,4% Inexistencia de dispositivos diferenciales 3,8% Aislamiento de protección defectuoso 1,9% Efectos Físicos no Inmediatos Se manifiestan pasado un cierto tiempo después del accidente. Los más habituales son: Manifestaciones renales: Los riñones pueden quedar bloqueados como consecuencia de las quemaduras debido a que se ven obligados a eliminar la gran cantidad de mioglobina y hemoglobina que les invade después de abandonar los músculos afectados, así como las sustancias tóxicas que resultan de la descomposición de los tejidos destruidos por las quemaduras. Trastornos cardiovasculares: La descarga eléctrica es susceptible de provocar pérdida del ritmo cardíaco y de la conducción aurículo-ventricular e intraventricular, manifestaciones de insuficiencias coronarias agudas que pueden llegar hasta el infarto de miocardio, además de trastornos únicamente subjetivos como taquicardias, sensaciones vertiginosas, cefaleas rebeldes, etc. Trastornos nerviosos: La víctima de un choque eléctrico sufre frecuentemente trastornos nerviosos relacionados con pequeñas hemorragias fruto de la desintegración de la sustancia nerviosa ya sea central o medular. Normalmente el choque eléctrico no hace más que poner de manifiesto un estado patológico anterior. Por otra parte, es muy frecuente también la aparición de neurosis de tipo funcional más o menos graves, pudiendo ser transitorias o permanentes. Trastornos sensoriales, oculares y auditivos: Los trastornos oculares observados a continuación de la descarga eléctrica son debidos a los efectos luminosos y caloríficos del arco eléctrico producido. En la mayoría de los casos se traducen en manifestaciones inflamatorias del fondo y segmento anterior del ojo. Los trastornos auditivos comprobados pueden llegar hasta la sordera total y se

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deben generalmente a un traumatismo craneal, a una quemadura grave de alguna parte del cráneo o a trastornos nerviosos. CONCEPTOS FUNDAMENTALES Puesta a Tierra Conjunto constituido por una o más tomas de tierra, interconectadas y sus conductores de tierra correspondientes, conectados al borne principal de tierra. Toma de Tierra Electrodo de tierra individual o un conjunto de electrodos de tierra. Electrodo de Tierra Parte conductora que puede estar embutida en el suelo o en un medio conductor particular, por ejemplo cemento, en contacto eléctrico con la Tierra. Los materiales y dimensiones de los electrodos de tierra que integran una toma de tierra, son aquellos que soportan la corrosión y tienen una adecuada resistencia mecánica. Los materiales y tipos de electrodos de tierra de uso común, son: Tipos de electrodos de tierra: Cintas (pletinas) o conductor desnudo multifilar. Caños o barras (picas o jabalinas), Placas. Materiales: Cobre. Acero galvanizado en caliente. Acero inoxidable. Acero con recubrimiento de cobre Como se desprende de la definición de toma de tierra, estos electrodos de tierra pueden ser utilizados como electrodos individuales o utilizarse distintos electrodos eléctricamente conectados entre sí para la ejecución de una toma de tierra.

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Se recomienda la utilización de electrodos del mismo material, para evitar problemas de corrosión por par galvánico. Las dimensiones mínimas de los electrodos están establecidas en el Reglamento de UTE, y se indican algunas a continuación:

Tabla 5. Dimensiones Mínimas de los Electrodos Las canalizaciones metálicas de otros servicios (agua, gas, calefacción central), etc. no deben ser utilizadas como electrodos de tierra, pero si debe realizarse su conexión equipotencial a la barra principal de tierra. Conductor de Tierra Conductor de protección que une el borne principal de tierra con la toma de tierra. El Reglamento de Baja Tensión de UTE le llama Conductor de enlace con tierra y establece como sección mínima para el mismo 35 mm² en cobre, a menos que la línea repartidora sea de menor sección, en cuyo caso será de la misma sección que los conductores de fase. Borne Principal de Tierra Borne o barra que forma parte de la puesta a tierra de protección de una instalación, previsto para la conexión a tierra de los conductores de protección, incluidos los conductores de conexión equipotencial. Los conductores previstos son: Conductores de tierra. Conductores de protección que no estén conectados a este terminal a través de otros conductores de protección. Conductores de conexión equipotencial principal.

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La conexión al borne principal de tierra, debe realizarse de forma de poder desconectarse individualmente cada conductor conectado al mismo. Esta conexión además se realiza de forma que su remoción solo debe ser posible por medio de una herramienta. En algún caso puede ser necesario instalar más de un borne o barra principal de tierra para realizar las conexiones indicadas. Masa Parte conductora de un equipamiento eléctrico que puede ser tocada y que normalmente no está bajo tensión pero que puede ser puesta bajo tensión en caso de falla del aislamiento principal. No se considera masa una parte conductora de un equipamiento eléctrico que solo puede ser puesta bajo tensión a través de otra masa. Tierra local Parte de la Tierra en contacto eléctrico con una toma de tierra, y cuyo potencial eléctrico no es necesariamente igual a cero. Tierra de referencia (Tierra) Parte de la tierra considerada como conductora cuyo potencial eléctrico es considerado, por convención, igual a cero, estando fuera de la zona de influencia de toda instalación de puesta a tierra. La tierra de referencia también es denominada “tierra lejana”. Resistencia de Puesta a Tierra Resistencia entre el borne principal de tierra y la tierra de referencia. La resistencia de toma de tierra es, prácticamente, la resistencia del volumen del m aterial del terreno que rodea el elemento de la toma hasta una distancia aproximada 5 m. Las mediciones de tierra deben realizarse, no solo durante la energización, sino periódicamente para determinar las posibles variaciones.

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Tabla 6. Resistencia de Tierra PERFILES DE VOLTAJE EN LA SUPERFICIE DEL TERRENO Los perfiles de voltaje se forman al suponer que la corriente de falla fluye uniformemente en el terreno que rodea a la barra, y los contornos de potencial resultan marcando las posiciones de igual voltaje a lo largo de cada trayectoria de corriente (las líneas equipotenciales en todas las figuras se muestran como porcentaje del alza de voltaje real del electrodo (GPR)). Existe un voltaje en la superficie del suelo, sobre el electrodo, el cual se reduce al alejarse de él.

Fig. 6. Potencial en la superficie del suelo

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Estas consideraciones están sujetas a la expresión matemática, que define el potencial respecto a una referencia remota, en un punto ubicado a una distancia r del electrodo:

Lo que indica que el potencial decrece asintóticamente con la distancia r, como se muestra en la grafica contigua, del potencial calculado.

Fig. 7. Perfiles de Voltaje de un Electrodo hemisférico Los perfiles de voltaje permiten tener una idea gráfica de la variación del voltaje en los diferentes puntos del terreno, especialmente aquellos ubicados en la superficie. Esto es importante al momento de definir el Voltaje de Paso y el Voltaje de Contacto. Una forma alterna de perfil de voltaje, es medir el potencial o voltaje respecto al electrodo (ver figura contigua). Como la referencia es el electrodo, el voltaje parte del valor 0 hasta 0≤r≤a, incrementando a medida que r se incrementa. En el caso particular del electrodo hemisférico o circular, los lugares geométricos de los puntos equipotenciales sobre la superficie del terreno son circunferencias concéntricas al electrodo.

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Fig. 8. Puntos Equipotenciales en la Superficie del Terreno En tal sentido, el voltaje de contacto permitido, dependerá de la norma relevante y del tiempo tomado por el sistema de protección para desconectar el circuito fallado. Claramente, una simple barra no proporciona un sistema de tierra bien diseñado, pero precisamente es el tipo que tradicionalmente se ha usando. Otro método tradicional era usar una placa, esta posee un mayor valor de tensión, debido a la mayor impedancia de la placa comparada con la barra. Finalmente, hay que resaltar que se puede presentar áreas donde los voltajes de contacto pueden ser excesivos (ver áreas entre las líneas B-C, D-E, F-G y H-I de la figura 6). Si una estructura metálica expuesta conectada al sistema de tierra estuviera presente aquí, los potenciales de contacto podrían exceder los valores permitidos. MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA A TIERRA Se define como resistencia de tierra, a la resistencia del conductor o electrodo enterrado (redes de metal, cintas metálicas, chapa metálica, jabalinas tubulares, etc.), la del material que lo rodea y con el que está en contacto (tierra). Se compone de la resistencia de la superficie de electrodo (óxidos metálicos y metal puro) y la resistencia de la tierra (el material más común está compuesto por silicato de aluminio, arena y

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desechos orgánicos, en general conductores), principalmente cerca de la superficie del electrodo y con enorme dependencia de la humedad contenida.

Fig. 9. Electrodo de Puesta a Tierra Pueden realizarse distintas combinaciones y disposiciones de electrodos para la ejecución de una toma de tierra, las más comunes son: Jabalinas verticales alineadas o dispuestas en triángulo o cuadrado. Conductores horizontales dispuestos linealmente, en circunferencia o en estrella La resistencia eléctrica de una toma de tierra depende de: La resistividad del suelo, que supondremos homogéneo. La disposición y tipo de electrodos que conforman la toma de tierra Para todas las configuraciones puede expresarse como: Donde:

ρ es la resistividad del suelo f (g) : es una expresión que tiene en cuenta la geometría y dimensión de la puesta a tierra. Es importante resaltar que un bajo valor de resistencia a tierra, no garantiza la seguridad del personal en el terreno sobre el sistema de conexión a tierra o en sus inmediaciones, dado que puede presentarse el caso de que no se cumpla con los límites de voltaje permitidos para la seguridad del personal y los equipos.

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Tabla 7. Variaciones de Resistividad de los Suelos Resistencia Mutua entre Electrodos de Conexión a Tierra Sean dos electrodos hemisféricos A y B, de radios asociados a y b respectivamente, enterrados al ras del suelo y separados a una distancia D.

Fig. 10. Configuración para dos Electrodos Esféricos Si la distancia D, es mucho mayor que el radio de los electrodos, se puede considerar sin mayor error, que las corrientes I A e IB, se distribuyen uniformemente, lo que permite aplicar el principio de superposición. Si IB=0 e IA ≠0, el voltaje del electrodo B respecto a un punto remoto está determinado por la expresión:

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La relación VB/IA, es una relación de resistencia, representada por:

Esta relación se denomina Resistencia Mutua entre los electrodos A y B. El caso general, cuando las corrientes de A y B son distintas a 0, el voltaje de cada una se puede obtener mediante el principio de superposición:

Y Aplicando teoría matricial, obtenemos:

Donde:

MÉTODO DE LA CAÍDA DE POTENCIAL. REGLA DEL 61,8% Este método también denominado de tres puntos, se realiza con tres puntas de prueba o electrodos separados, que se conectan a los tres terminales del instrumento para medición de la resistencia a. Es importante aclarar que la tercera punta de prueba puede o no estar en un electrodo fijo y no removible, dado que este método no solo es para mediciones iniciales sino también puede ser usado para corroborar mediciones anteriores o el estado de una puesta a tierra existente.

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Empleando un probador de cuatro terminales, los terminales P1 y C1 en el instrumento son puenteados y conectados al electrodo de tierra bajo prueba o al tercer electrodo de referencia. Si se dispone de un instrumento de tres terminales, solo conecte el terminal X al electrodo a tierra. Posteriormente, se colocan las otras dos puntas de prueba auxiliares en los terminales C2 y P2 y varillas de prueba enterradas a distancias predeterminadas del electrodo bajo prueba.

Fig. 11. Prueba de resistencia de la tierra por el método de Caída de Potencial o de Tres Terminales La distancia (d) del electrodo bajo prueba de la red de tierras al electrodo de potencial (P2) se va variando y en cada punto se toma una lectura de resistencia (R). Se recomienda iniciar con una distancia d= 5 mts. Puede aumentarse o disminuirse este valor (3, 6, 10 mts.) de acuerdo con el criterio de la persona que efectúa la prueba, considerando siempre obtener los puntos coordenados (d, R) suficientes para trazar la curva. La distancia (L) a la que se insertará el electrodo de corriente (C2) sea igual a 4D y se calcula partiendo del círculo equivalente de la superficie que cubre la red de tierras. Generalmente la superficie es rectangular, por lo que se tiene:

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Donde:

Teniendo que el área o superficie del círculo es:

Igualando: Ar = Ac se obtiene:

Despejando D (diámetro equivalente de la superficie que cubre la red de tierras.):

Obteniéndose: L = 4D Esta distancia es una longitud de referencia, por lo que en la práctica y de acuerdo con la experiencia de campo puede llegar a ser menor o mayor de 4D. Al accionar el instrumento, se genera una corriente que se inyecta por los terminales C1/P1 retornando por el electrodo auxiliar de corriente (C2). Al pasar la corriente por la tierra, una caída de voltaje se generará entre los terminales C1/P1 y el electrodo auxiliar de potencial conectado en P2. El instrumento calcula la resistencia a través de la ley de ohm. Los valores obtenidos de resistencia se grafican contra la distancia (D). En esta curva, la parte plana u horizontal, nos indica la resistencia real (Rt) de la red de tierras que se ha probado. En la práctica no se tiene uniformidad de lecturas de (R) por lo que al graficar los resultados, se trazará la curva de tal manera que pase por el mayor número

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de puntos. En cada punto tendrá sus coordenadas (R, d). Por experiencia la resistencia óhmica real obtenida mediante este método se aproxima al 62 % de la distancia total.

Fig. 12. Mediciones de Resistencias Típicas en Función de la Distancia entre Electrodos Este método se aplica únicamente cuando los tres electrodos están en línea recta y la "tierra" es un solo electrodo, tubería o placa. Recomendaciones para Realizar la Medición Antes de realizar la prueba es necesario comprobar la correcta operación del equipo, realizando las siguientes actividades: Ajuste del cero. Comprobación de batería. Ajuste eléctrico del cero. Comprobación de sensibilidad Sin embargo, este método tiene la limitante de que depende en gran medida de enterrar los electrodos en una zona alejada de objetos conductores. Si la curva en la gráfica, no presenta un tramo paralelo, quiere decir que la distancia escogida no es suficiente.

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La solución puede ser una mayor distancia entre electrodos, pero, en algunos casos, la localización de los electrodos en línea recta es imposible por la falta de espacio u otros factores. No obstante, si se coloca el electrodo de prueba P en ángulos hasta de 90 grados da lecturas consistentes con las que se obtendrían en línea recta, aunque en la gráfica los valores de resistencia después de distancias mayores al 70% no suben con igual rapidez, debido a la lejanía del electrodo C2. El uso de tres terminales es más conveniente debido a que requiere que un solo conductor sea conectado. Su aceptación considera que la resistencia del conductor común está incluida en la medición. Normalmente, este efecto puede ser minimizado si los requerimientos de las pruebas no son mayores, ya que la pequeña resistencia adicional introducida es casi nula. Sin embargo, cuando se realizan pruebas más complejas o se impongan requerimientos más rígidos, puede ser más aconsejable utilizar todos los cuatro terminales, conectando el terminal P1 con el electrodo a ser probado (conectarlo en la varilla después de C1). Esta es una verdadera configuración de prueba de cuatro hilos, la cual elimina todas las resistencias de los cables de conexión desde el equipo. EL PERFIL DE VOLTAJE EN LA MEDICIÓN CON EL MÉTODO DE CAÍDA DE POTENCIAL Empleando el método de medición de los 3 puntos, o regla del 62%, se mide la diferencia de voltaje entre el sistema de conexión a tierra al que se desea obtener su valor de resistencia (no limitativo), y el electrodo auxiliar. El voltaje obtenido es originado por la superposición del perfil de voltaje del sistema o terreno.

Fig. 13. Perfil de Voltaje

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Para distancias mayores a D, el perfil tiende a aplanarse en la parte intermedia, esto es lo que se conoce como zona de mínima pendiente. En esta zona se considera que el voltaje medido, es muy próximo al voltaje V∞, siendo el valor utilizado para obtener la medida de la resistencia a tierra. La zona comprendida entre 0 y el inicio de la zona de mínima pendiente se conoce como zona de influencia del sistema. TEMA 2. MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD APARENTE RESISTIVIDAD DEL SUELO El factor más importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en sí, sino la resistividad del suelo mismo, por ello es requisito conocerla para calcular y diseñar la puesta a tierra de sistemas. Se define el término resistividad, como la resistencia que ofrece al paso de la corriente un cubo de terreno de un metro por lado. La resistividad del suelo es la propiedad que tiene éste, para conducir electricidad, es

conocida además como la resistencia específica del terreno. En su medición, se

promedian los efectos de las diferentes capas que componen el terreno bajo estudio, ya que éstos no suelen ser uniformes en cuanto a su composición, obteniéndose lo que se denomina "Resistividad Aparente" que para el interés de este trabajo, será conocida simplemente como "Resistividad del Terreno". La resistividad del terreno varía ampliamente a lo largo y ancho del globo terrestre, estando determinada por: Sales solubles. Composición propia del terreno. Estratigrafía. Granulometría. Estado higrométrico. Temperatura. Compactación

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Sales Solubles La resistividad del suelo es determinada principalmente por su cantidad de electrolitos; esto es, por la cantidad de humedad, minerales y sales disueltas. Como ejemplo, para valores de 1% (por peso) de sal (NaCl), o mayores, la resistividad es prácticamente la misma, pero, para valores menores de esa cantidad, la resistividad es muy alta. Composición del Terreno La composición del terreno depende de la naturaleza del mismo. Por ejemplo, el suelo de arcilla normal tiene una resistividad de 40-500 ohm-m por lo que una varilla electrodo enterrada 3 m tendrá una resistencia a tierra de 15 a 200 ohms respectivamente. En cambio, la resistividad de un terreno rocoso es de 5000 ohm -m o más alta, y tratar de conseguir una resistencia a tierra de unos 100 ohm o menos con una sola varilla electrodo es virtualmente imposible. Estratigrafía El terreno obviamente no es uniforme en sus capas. En los 3 m de longitud de una varilla electrodo típica, al menos se encuentran dos capas diferentes de suelos. Granulometría Influye bastante sobre la porosidad y el poder retenedor de humedad y sobre la calidad del contacto con los electrodos aumentando la resistividad con el mayor tamaño de los granos de la tierra. Por esta razón la resistividad de la grava es superior a la de la arena y de que ésta sea mayor que la de la arcilla. Estado Higrométrico El contenido de agua y la humedad influyen en forma apreciable. Su valor varía con el clima, época del año, profundidad y el nivel freático. Como ejemplo, la resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15% del peso de éste. Pero, un mayor contenido de humedad del 15% mencionado, causa que la resistividad sea prácticamente constante. Y, puede tenerse el caso de que en tiempo de secas, un terreno puede tener tal resistividad que no pueda ser

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empleado en el sistema de tierras. Por ello, el sistema debe ser diseñado tomando en cuenta la resistividad en el peor de los casos. Temperatura A medida que desciende la temperatura aumenta la resistividad del terreno y ese aumento se nota aún más al llegar a 0° C, hasta el punto que, a medida que es mayor la cantidad de agua en estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de l os electrolitos los cuales influyen en la resistividad de la tierra. Compactación La resistividad del terreno disminuye al aumentar la compactación del mismo. Por ello, se procurará siempre colocar los electrodos en los terrenos más compactos posibles. MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso de la roca en estudios geofísicos, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una subestación, sistema electrónico, planta generadora o transmisora de radiofrecuencia. Asimismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas.

Fig. 14. Medidor de Resistencia y Resistividad (CA-6471)

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En general, los lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión. En este punto es necesario aclarar que la medición de la resistividad del terreno, no es requisito para hacer una malla de puesta a tierra. Aunque para diseñar un sistema de tierras de gran tamaño, es aconsejable encontrar el área de más baja resistividad para lograr la instalación más económica. El perfil de la resistividad del suelo determinará el valor de la resistencia a tierra y la profundidad de nuestro sistema de puesta a tierra. Para medir la resistividad del suelo se requiere de un terrómetro (llamado en otros países: telurómetro) o Megger de tierras de cuatro terminales. Los aparatos de mayor uso, de acuerdo a su principio de operación, pueden ser de 2 tipos: del tipo de compensación de equilibrio en cero y el de lectura directa. En base a lo mencionado, la resistividad del terreno está en función del tipo de compactación, contenido de humedad y sales solubles en los estratos. La resistividad es el inverso de la conductividad. Siendo la resistividad es una forma indirecta, rápida y práctica de valorar las condiciones del terreno, que se utiliza tanto para los diseños de redes de tierra y estudios de protección catódica. Debido a que existen variaciones en el sentido horizontal y vertical en la composición del suelo, es conveniente realizar las pruebas de campo en varios lugares del terreno. Y en consideración de la variación de la humedad del terreno, la lectura de resistividad no es constante, por lo tanto el valor de la resistividad solo es verdadero para el momento de la medición. Se calcula la resistividad del terreno (∂) mediante la fórmula:

Donde:

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Método de Wenner para la Medición de Resistividad de Terreno Para medir la resistividad del terreno, normalmente se utiliza el método de Wenner o de los cuatro electrodos, haciendo una cuadrícula del terreno y realizando varias mediciones con separación variable entre los electrodos. Este método consta de cuatro electrodos de pequeñas dimensiones dispuestos en línea recta, siendo los dos electrodos interiores de potencial y los dos exteriores de corriente.

Fig. 15. Configuración Método de Wenner Las mediciones deben realizarse principalmente sobre las diagonales del terreno, como se muestra en la figura contigua. Sobre las líneas trazadas en el terreno (cuadrícula o rectangular) se deberá variar la distancia entre los electrodos, siempre partiendo siempre del centro del terreno. Es conveniente que la lectura se tomen variando la distancia entre los electrodos, incrementando la separación inicial, en intervalos de 1.6 metros hasta cubrir el área del terreno. Para medir la resistencia R en cada línea de prueba, con el método de medición indicado en el punto anterior, comenzando en el centro de la lía y variando cada vez, la separación entre electrodos como se indica enseguida:

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Fig. 16. Distribución de las Mediciones por Área El número de mediciones se limita normalmente hasta a ≈ 0.5 L (criterio para estructuras generadoras). Por ejemplo, si L = 100 m la a máxima = 50 m y sería necesario realizar 5 mediciones más aumentando cada vez 4 m. Repetir este proceso para las demás líneas de prueba, calcular la resistividad y reportar los valores. Ventajas de la Configuración de Wenner La interpretación de los valores de R medidos en terreno es más directa en términos de resistividad aparente. Esto permite visualizar con facilidad la tendencia del gráfico de campo. Los instrumentos pueden ser de menor sensibilidad que los empleados con la configuración de Schlumberger, ya que a medida que se separan los electrodos de corriente, también lo hacen los de potencial.

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LA CURVA DE RESISTIVIDAD APARENTE Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, se utiliza el Método de Wenner con espaciamientos entre electrodos de prueba cada vez mayores. Por lo general, para cada espaciamiento se toman dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí. La gráfica resultante de trazar el promedio de las mediciones de resistividad (R) contra distancia entre electrodos (a) se denomina perfil de resistividad aparente del terreno.

Fig. 17. Perfil de Resistividad Ejemplos de Perfiles de Resistividad Capa superficial arcillosa y húmeda, capa inferior rocosa: perfil de resistividad ascendente. Para simular su comportamiento, se requiere de por lo menos la utilización los valores para 2 capas.

Fig. 18. Perfil de Resistividad (suelo arcilloso)

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Capa superficial muy seca, capa inferior arenosa: perfil de resistividad descendente. Para simular el comportamiento de este caso, se requiere como aproximación mínima, utilizar los valores de 2 capas.

Fig. 19. Perfil de Resistividad (suelo seco) Terreno rocoso y seco. Perfil de resistividad plano. Para realizar la simulación de su comportamiento, se puede utilizar la resistividad promedio, para un estrato homogéneo.

Fig. 20. Perfil de Resistividad (suelo rocoso y seco) SUELOS CON ESTRATIFICACIÓN VERTICAL Y HORIZONTAL Al realizar análisis en la práctica, un terreno puede representarse razonablemente por un modelo de estratos paralelos a la superficie del suelo, caracterizado cada uno de ellos por su espesor y un valor constante de resistividad. El estrato homogéneo más profundo se considera de espesor infinito. Para simplificar el modelo se asume un campo eléctrico, que pasa por varias de las capas del suelo.

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Fig. 21. Modelo de un terreno Estratificado Horizontal

SOLUCIÓN PARTICULAR PARA TERRENOS HOMOGÉNEOS Tienen una tendencia horizontal independiente de la distancia de medidas (a). Sólo identifican la existencia de un Estrato Superficial grueso (h1 > 3a) En este caso la Resistividad de Diseño (ρ) es igual a la Resistividad Aparente (ρa) SOLUCIÓN PARTICULAR PARA TERRENOS MULTIESTRATIFICADOS Su progresión presenta variaciones a veces ascendentes a veces descendentes. Tienen más de dos (PI) que indican el Número de Estratos (nPI + 1). Generalmente representan medidas a profundidades mayores que (a = 8m). Las Resistividades Superficial y Subyacente se hallan con procesamiento biestrato. Las Resistividades inferiores se hallan con procesamiento multiestrato.

SOLUCIÓN PARTICULAR PARA TERRENOS BIESTRATIFICADOS El modelo de suelo biestratificado es una representación adecuada de los suelos no homogéneos para el diseño de sistemas de puesta a tierra. La resistividad aparente para un terreno biestratificado, en función de las resistividades de las dos capas del suelo,

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la profundidad de la primera capa y la separación de los electrodos según el método de medición de Wenner, se obtiene a partir de la siguiente expresión:

Donde k es el coeficiente de reflexión de los medios 1 y 2, definido por la expresión:

Tienen tendencia inicial ascendente o descendente con extremidades asintóticas. Su doble concavidad opuesta, presentará siempre un Punto de Inflexión (PI). En general constituyen más del 95 % de casos en aplicaciones a PATs TEMA 3. CRITERIOS CONSTRUCTIVOS Y DE DISEÑO SEGURIDAD EN LA EJECUCIÓN DE PUESTA A TIERRA Al realizar las conexiones, se deben utilizar siempre guantes aislantes, protecciones para los ojos y cualquier otro equipo de protección personal apropiado. No es seguro asumir que hay un electrodo de reserva para el sistema eléctrico durante la prueba. No desconectar nunca un electrodo de conexión a tierra si existe la posibilidad de caída de rayos (tormenta eléctrica). Una avería en la puesta a tierra de una instalación vecina puede generar la presencia de tensión en bornes del electrodo que se está verificando. Esto puede resultar especialmente peligroso en las proximidades de subestaciones o líneas de distribución eléctrica en las que se pueden producir importantes corrientes de tierra. (La comprobación

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de la puesta a tierra de las torres de distribución o subestaciones requiere el uso de procedimientos especiales que no se tratan en esta nota de aplicación.) Los medidores de resistencia de tierra utilizan una energía muy superior a la que emplean otros instrumentos de medida, con corrientes de ensayo que pueden ser de hasta 250 mA. Es preciso asegurarse de que todas las personas que se encuentran en el área de medida conocen este dato y advertirles que no deben tocar las sondas mientras el instrumento esté activado Consideraciones Preliminares de Medición Utilice una buena cinta métrica de gran longitud. Para localizar la parte horizontal de la curva será necesario realizar al menos cinco o más medidas; probablemente, entre 7 y 9. Al colocar las picas, asegúrese de que la pica de corriente, la pica de potencial y el electrodo que se desea comprobar se encuentren en línea recta. Si se obtiene una medición de impedancia muy elevada o fuera de rango, pruebe verter una pequeña cantidad de agua alrededor de las picas de prueba para mejorar el contacto con la tierra. Esta práctica no falsea los datos, ya que la intención no es medir la resistencia de las picas, sino la resistencia del electrodo. Mantenga separados los cables de potencial y de corriente para evitar un acoplamiento de la señal. En un emplazamiento de nueva construcción, debería realizar varias series de medidas. La resistencia puede caer con el tiempo debido a la sedimentación de la tierra.

SISTEMA DE ELECTRODOS DE CONEXIÓN AL TERRENO (SECT) Electrodos de Tierra El electrodo de tierra es el componente del sistema de puesta a tierra que está en contacto directo con el terreno y así proporciona un medio para botar o recoger cualquier tipo de corrientes de fuga a tierra. En sistemas puestos a tierra se requerirá normalmente llevar una corriente de falla bastante grande por un corto período de tiempo y, en

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consecuencia, se necesitará tener una sección suficientemente grande como para ser capaz de llevar esta corriente en forma segura. Los electrodos deben tener propiedades mecánicas y eléctricas adecuadas para continuar respondiendo las solicitaciones durante un periodo de tiempo relativamente largo, en el cual es difícil efectuar ensayos reales o inspección. El material debe tener buena conductividad eléctrica y no corroerse dentro de un amplio rango de condiciones de suelo. Los materiales usados incluyen cobre, acero galvanizado, acero inoxidable y fierro fundido. El cobre generalmente es el material preferido por las razones que se describirán posteriormente. El aluminio se usa algunas veces para conexiones fuera del terreno, pero la mayoría de los estándares prohíben su uso como electrodo de tierra debido al riesgo de corrosión acelerada. El producto corrosivo -una capa de óxido- deja de ser conductivo y reduce la efectividad de la puesta a tierra. El electrodo puede tomar diversas formas: barras verticales, placas y conductores horizontales. Las formas más comunes se describen a continuación. Barras Esta es la forma más común de electrodos, porque su costo de instalación es relativamente barato y pueden usarse para alcanzar en profundidad, suelo de baja resistividad, sólo con excavación limitada y relleno. Están disponibles en diversos tamaños, longitudes, diámetros y materiales.

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Fig. 22. Barra o Jabalina La barra es de cobre puro o de acero recubierto de cobre. El tipo recubierto se usa cuando la barra se entierra por medios mecánicos (impacto) ya que el acero usado tiene alta resistencia mecánica. La capa de cobre debe ser de alta pureza y aplicada electrolíticamente. Esto último asegura que el cobre no se deslice al enterrar la barra. En condiciones de suelo más agresivo, por ejemplo cuando hay alto contenido de sal, se usan barras de cobre sólido. Barras de acero inoxidable son más anódicas que el cobre y se usan ante riesgo de corrosión galvánica. Sin embargo, debe considerarse el hecho que el acero inoxidable tiene baja capacidad de transporte de corriente en comparación con el cobre. En cada extremo de la barra hay sectores tratados que permiten disponer de un extremo aguzado, un extremo con una cabeza endurecida o con hilo para atornillar barras adicionales. Es importante en el caso de barras recubiertas, que la capa de cobre se mantenga intacta en la sección fileteada (con hilo). Algunos fabricantes también tienen una barra taladradora de cabeza de cruz, que es particularmente útil si los acoplamientos de barra tienen un diámetro mayor que la barra. Se asegura que este tipo de cabeza permite enterrar hasta mayor profundidad.

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Las barras están disponibles en diámetros de 15 mm a 20 mm (cobre sólido) y 9,5 a 20 mm (acero recubierto de cobre). Las barras individuales tienen longitudes de 1, 2 a 3 metros. También se dispone de secciones apantalladas de barra para uso, por ejemplo, cuando hay una capa de suelo altamente corrosivo, a través de la cual debe atravesar una barra profunda. Placas Se usa varios tipos de placas para propósitos de puesta a tierra, pero el único tipo que se considera generalmente como electrodo debe ser sólido y de tamaño sustancial. Las placas tipo enrejado, se usan para graduar potenciales y no se espera que permitan el paso de niveles de corriente de falla significativos. Se hacen normalmente de una mal la de cobre o de acero.

Fig. 23. Electrodo Tipo Placa Electrodos horizontales Están hechos de cintas de cobre de alta conductividad o conductores retorcidos (cables). La cinta es el material más conveniente pues para una sección dada de material presenta una mayor superficie y se considera que tiene un comportamiento mejor a alta frecuencia, debido a la capacitancia levemente mayor a tierra. Puede ser más difícil de conectar (por ejemplo a barras verticales), de modo que puede significar un costo de instalación levemente mayor. Para reducir costos globales, la cinta se puede usar para los electrodos que llevarán la mayor corriente (por ejemplo electrodos del perímetro y conexiones principales a los equipos), mientras que el conductor retorcido puede usarse en otra parte. La cinta

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que se instala bajo tierra es totalmente recocida de modo que puede ser plegada fácilmente. Electrodos secundarios Existen algunos tipos interesantes de electrodos secundarios, cuyo propósito es mejorar el comportamiento de un electrodo de tierra. Ellos incluyen pozos de tierra y embalses de terreno. Un pozo de tierra puede comprender varias tuberías largas enterradas verticalmente en el suelo. Están conectadas entre sí y rodeadas por un material de baja resistividad. Un embalse de tierra es típicamente una cavidad en una ubicación donde se pueda mantener la humedad, que está llena con desechos metálicos y otro material conductivo. Un ejemplo de electrodo secundario consiste de un tubo de cobre de 50 mm de diámetro, disponible en longitudes de hasta 6 metros. El cañón interior se llena parcialmente con sales metálicas en bruto y los extremos superior e inferior del tubo se sellan con tapas. Se perfora el tubo en la parte superior para ventilación y también para drenaje en la parte inferior. El material de relleno recomendado es Bentonita. CONEXIONES Los electrodos de tierra tienen que ser conectados entre sí de alguna manera y es normal que sea vía cobre desnudo si es posible, ya que esto ayudará a reducir el valor de impedancia global. Las conexiones entre los diferentes componentes deben ser mecánicamente robustas, tener buena resistencia a la corrosión y baja resistividad eléctrica.

Fig 24. Relación Calibre del Conductor Vs. Conexión Es prudente evitar uniones y conexiones innecesarias. Debe considerarse el valor de corriente de falla y la duración de la falla que se espera que soporte el sistema de tierra. Varios estándares indican especificaciones para los materiales que son mínimos

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aceptables, por ejemplo, establecen que las coplas para barras de cobre necesitan un contenido mínimo de cobre de 80%. Conexiones Mecánicas Se usan comúnmente y pueden ser mecánicas (conexión apernada) o hidráulicas (compresión). Los conectores deben satisfacer los requerimientos de los estándares aplicables. El proceso de probar el cumplimiento de las normas involucra habitualmente una serie de pruebas de vida durante las cuales el conector es sometido a impactos mecánicos, eléctricos y térmicos.

Fig. X. Conexión Mecánica Externa En consecuencia son factores importantes el diseño, tamaño y material usado – particularmente ya que tales conectores pueden permanecer invisibles en el terreno por cierto número de años, antes de que sean solicitados para operar. Es esencial una conexión eléctrica de baja resistencia, especialmente en sistemas de electrodos del tipo radial. Durante la mantención, se han descubierto conexiones con resistencia de más de 20 ohms. Claramente, esto perjudica el comportamiento del sistema de electrodos. Cuando se apernan entre sí cintas de cobre, debe tenerse cuidando con el tamaño de las perforaciones efectuadas para acomodar el perno. Si son demasiado grandes, la capacidad de transporte de corriente de la cinta se perjudicará. Por esta razón, los estándares y reglamentos de práctica normalmente limitan el diámetro de la perforación a un tercio del ancho de la cinta o menos. Cuando se apernan

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metales diferentes (por ejemplo cintas de cobre y aluminio), las superficies deben ser minuciosamente limpiadas y protegidas por un inhibidor de óxido. Una vez efectuada la conexión, el exterior debe ser cubierto por pintura bituminosa u algún otro medio para proteger contra el ingreso de humedad. Cuando se une cobre y aluminio, el cobre primero debe ser estañado. Una unión apernada de este tipo es actualmente el método recomendado preferentemente en los estándares para conectar metales diferentes, en el caso de instalaciones exteriores y en subestaciones eléctricas. Estas conexiones deben estar a una mínima distancia sobre tierra y no pueden ser enterradas. Conexiones Bronceadas (Soldadas en Fuerte) La conexión bronceada se aplica ampliamente al cobre y aleaciones de cobre. Este método tiene la ventaja de proporcionar una baja resistencia de unión la cual no se corroe. Actualmente, es el método preferido descrito por los estándares para conectar cintas de cobre en el interior de subestaciones. Sin embargo, es esencial que el bronceado sea efectivo.

Fig 25. Conexión Bronceada

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Puede ser difícil hacer una buena unión en terreno, particularmente donde están involucradas grandes áreas de sección transversal. Son esenciales las superficies planas limpias pues los materiales de bronceado generalmente no fluyen como la soldadura. Existe así la posibilidad de conexiones adecuadas sólo en los puntos de contacto, pero con vacíos importantes que quedan sin llenar. Para este trabajo es esencial una buena fuente de calor, particularmente para conectores grandes. Uniones Exotérmicas Estas uniones se realizan mediante un molde de grafito que se diseña para ajustar el tipo específico de unión y el tamaño de los conductores. Usando una pistola con pedernal se enciende una mezcla de polvo de aluminio y de óxido de cobre y la reacción que se crea forma una unión de cobre virtualmente puro en torno a los conductores. La reacción de alta temperatura se produce en el interior del molde de grafito. Si se ocupa y mantiene adecuadamente, cada molde puede usarse para realizar entre 50 y 70 uniones. Este tipo de unión asegura los siguientes beneficios: Proporciona una unión permanente, de baja resistencia eléctrica y resistente a la corrosión. La técnica empleada no requiere adiestramiento, relativamente. Puede operar a alta temperatura, permitiendo eventualmente reducir el calibre del conductor. RED DE CONEXIÓN A TIERRA EN INSTALACIONES CON EQUIPOS ELECTRÓNICOS Normalmente existen altos campos electromagnéticos asociados con estos aparatos. Estos campos pueden inducir altas corrientes en estructuras metálicas cercanas o en conductores de tierra. Se necesitan precauciones adicionales para prevenir corrientes de circulación inducidas. Un método es asegurar que tales equipos estén puestos a tierra sólo en un punto. Otra solución es usar soportes o cercos no metálicos en estrecha proximidad con estos aparatos.

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Donde se usan tiristores, pueden presentarse corrientes armónicas de alta frecuencia y puede ser necesario ubicar el electrodo de tierra cerca de esta fuente, para prevenir el surgimiento de diferencias de potencial relevantes. La causa mayor de fallas de los componentes electrónicos de los puertos de interconexión de datos, y los de control en bajo voltaje, es el sobre-esfuerzo eléctrico que usualmente se origina en los transitorios causados por: (1) las descargas atmosféricas; (2) por las maniobras de interrupción de cargas por inductivas, o; (3) por descargas electrostáticas. Los que se conocen normalmente como "picos" de voltaje". Ningún cable enterrado, ni siquiera de potencia, es inmune a los transitorios provocados por los rayos. Transitorios Para controlar las descargas y los fenómenos transitorios, se añaden dispositivos de protección a los cables que conectan entre sí los equipos de computación, instrumentación y de comunicaciones. Estos dispositivos desvían la corriente, bloquean la energía que viaja por los conductores, filtran ciertas frecuencias, regulan voltajes o, realizan una combinación de todas estas tareas. Interferencia Causada por Armónicos Las armónicas se generan en fuentes de poder de tipo conmutada de computadoras, y en los variadores de frecuencia entre otros lugares. Su efecto en los equipos electrónicos se mitiga incrementando calibres de conductores y, usando filtros activos. Los filtros pasivos compuestos de capacitores e inductores no son generalmente efectivos (excepto como protección de bancos de capacitores).

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Interferencia En Radiofrecuencia RFI por sus siglas en inglés, es causada principalmente por transmisiones radiales. Sin embargo, este tipo de interferencia también es producida por los componentes electrónicos trabajando a altas frecuencias. En los equipos electrónicos su efecto se minimiza con un buen blindaje en cables y en los mismos equipos. Aunque, la mejor manera de acabar con la RFI es blindar el ruido directamente en su fuente. Los blindajes mencionados para ser efectivos se deben conectar a la tierra del sistema. Interferencia Electromagnética Este tipo de interferencia, conocido por sus siglas en inglés EMI, es ruido eléctrico que se convierte en un voltaje en un sistema eléctrico. Sus fuentes son las mismas que generan la interferencia en radiofrecuencia. Este tipo de interferencia en los equipos electrónicos se corrige conectando todo a una única puesta a tierra del sistema Como familias de protectores tenemos: Válvula de Gas. Filtros. Semiconductores. CONEXIONES A TIERRA EVENTUALES O DE SEGURIDAD El objetivo de la puesta a tierra de seguridad es la protección de las personas de recibir una descarga eléctrica por fallas de aislación, o cortocircuitos. Con esta finalidad todas las canalizaciones metálicas, soportes, estructuras, gabinetes, tableros y en general toda estructura metálica (conductora) que por accidente pueda quedar bajo tensión, debe ser conectada a tierra. La puesta a tierra de seguridad, no presenta normalmente corrientes drenadas, solo cuando se presenta una falla, un ejemplo es la conexión a tierra de las carcasas de las maquinas eléctricas, para que en caso de falla de sus arrollamientos no presenten tensiones hacia tierra.

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Puesta a tierra de seguridad, es la conexión del neutro a tierra hecha en forma directa o a través de una impedancia (que limita las corrientes de falla monofasicas). La puesta a tierra eventual puede llevar permanentemente a tierra una cierta corriente, por ejemplo atribuida a que las capacitancias de líneas de distribución son distintas de una fase a otra (desequilibradas).

Fig. 26 Esquema de Tierra de Seguridad CRITERIOS DE DISEÑO PARA LA SEGURIDAD DE PERSONAS Máximos Valores Permitidos de Voltaje de Paso Tensión de paso es la diferencia de potencial existente entre los pies de una persona, separados 1m, cuando se encuentran sobre líneas de potencial diferentes.

Fig. 27 Tensión de Paso

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Considerando el circuito equivalente de la figura superior, se puede calcular:

Máximos Valores Permitidos de Voltaje de Contacto (Tensión de Toque) La tensión de toque y la tensión de paso son dos parámetros que se definen para el diseño de las puestas a tierra y están relacionados con la seguridad de las personas. La tensión de toque es la diferencia de potencial entre un punto del elemento conductor, situado al alcance de la mano de una persona y un punto en el suelo situado a 1m de la base de dicho elemento.

Fig. 28 Tensión de Contacto Considerando el circuito equivalente de la Figura superior, se puede calcular:

Donde: Rch es la resistencia del cuerpo humano * 1000 W, Rc es la resistencia de contacto ≈ 3ρs

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ρs es la resistividad superficial del suelo Luego considerando como corriente de choque máxima que no causa fibrilación ventricular, la definida por la ecuación de Dalziel:

Donde t es el tiempo de permanencia del defecto en segundos, e Ichoque se expresa en Amp. La tensión de toque máxima generada por el defecto no debe producir una corriente de choque mayor a la limitada por dicha ecuación, y por tanto la tensión de toque máxima permitida será:

Luego la tensión máxima de un sistema de puesta a tierra puede calcularse como:

Decantando de esta relación, la condición:

CONEXIÓN A TIERRA DE UN PUNTO DEL SISTEMA Conexión por Medio de una Impedancia En este caso se insertan deliberadamente resistores y/o reactores en la conexión entre el punto neutro y tierra, normalmente para limitar la corriente de falla a un nivel aceptable. En teoría, la impedancia puede ser lo bastante alta como para que fluya una corriente de falla poco mayor que en la situación de sistema no puesto a tierra. En la práctica, para evitar sobrevoltajes transitorios excesivos debido a resonancia con la capacitancia en paralelo del sistema, las puestas a tierra inductivas deben permitir

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que fluya a tierra por falla al menos un 60% de la capacidad de cortocircuito trifásico. Esta forma de puesta a tierra tiene menor disipación de energía que la puesta a tierra resistiva. Pueden usarse como conexión a tierra enrollados de supresión de arco, también conocidos como bobinas de Peterson, o neutralizadores de falla a tierra. Estos son reactores sintonizados que neutralizan el acoplamiento capacitivo de las fases sanas y de este modo la corriente de falla es mínima. Debido a la naturaleza auto-compensada de este tipo de puesta a tierra, es efectiva en ciertas circunstancias en sistemas aéreos de media tensión, por ejemplo, aquellos que están expuestos a un alto número de fallas transitorias. El uso de interruptores con cierre automático ha reducido el uso de este método de puesta a tierra en sistemas de alta y media tensión. La puesta a tierra por resistencia es de uso más común, porque permite limitar la corriente de falla y amortiguar los sobrevoltajes transitorios, eligiendo el valor correcto de resistencia. En principio se usó resistencias líquidas. Ahora es más común el uso de resistores del tipo cerámico. Estos requieren menos espacio, tienen costos de mantención significativamente menores y luego del paso de la corriente de falla se enfrían más rápidamente que las resistencias líquidas. Cables de Guarda Los cables de guarda instalados en las líneas de alta tensión, son cables sin tensión que se colocan en la parte más alta en las redes de alta tensión, se conectan a la misma estructura metálica en cada torre y sirven para varios motivos. Uno es el generar un equipotencial de tierra en todo el trazado de la línea, rebajando al mínimo la resistencia de tierra, ya que con el cable se unen todas las torres y por defecto, todas las tomas de tierra del trazado.

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Métodos de Diseño de Cable de Guarda El diseño del cable de gurda se refiere a la determinación de los conductores de la fase para evitar que las descargas atmosféricas incidan directamente sobre estos. Para el diseño existen varias metodologías: Método de Peck Plantea que todos los puntos se encuentran sobre una circunferencia de radio h tomados del centro de una nube cargada, tienen la misma probabilidad de ser alcanzadas si se produce una descarga. Por esta razón, el método plantea que el cable de guarda debe ubicarse a una altura del 10% más grande que el conductor de fase más externo reseco a un punto de la circunferencia de igual probabilidad. Método de Schwaiger y Ziegler Con base en lo planteado por Peck se dice que varias fases y cables de guarda el único que puede ser impactado es el más cercano a la nube cargada. Además, el punto más crítico en el que se puede iniciar un rayo es a una altura igual a la del cable de guarda. ESTIMACIÓN DE LA CORRIENTE DE FALLA Como generalmente se desconoce la impedancia del circuito de alimentación a la red (impedancia del transformador, red de distribución y acometida) se admite que en caso de cortocircuito la tensión en el inicio de las instalaciones de los usuarios se puede considerar como 0,8 veces la tensión de suministro. Se toma el defecto fase tierra como el más desfavorable, y además se supone despreciable la inductancia de los cables. Esta consideración es válida cuando el Centro de Transformación, origen de la alimentación, está situado fuera del edificio o lugar del suministro afectado, en cuyo caso habría que considerar todas las impedancias

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Por lo tanto se puede emplear la siguiente fórmula simplificada:

CRITERIOS DE SELECCIÓN DEL CONDUCTOR Conductor de Protección de Circuito Este es un conductor separado instalado con cada circuito y está presente para asegurar que parte o toda la corriente de falla regrese a la fuente a través de él. Puede ser un conductor individual, la cubierta metálica exterior de un cable o la estructura de un ducto metálico. Conductores de Conexión Estos conductores aseguran que las partes conductivas expuestas (tales como carcasas metálicas) permanezcan aproximadamente al mismo potencial durante condiciones de falla eléctrica. Los conductores de conexión pueden ser equipotenciales o suplementarios. Los conductores de conexión equipotencial principales, que conectan entre sí y a tierra, partes conductivas expuestas que normalmente no llevan corriente, pero podrían hacerlo bajo una condición de falla. Estas conexiones normalmente unen al sistema de puesta a tierra tuberías metálicas de gas y agua, expuestas que ingresan a la instalación, estructura metálica del edificio y servicios principales. En el interior de instalaciones, estas conexiones deben ser de un cierto tamaño mínimo (al menos 6 mm2) y generalmente no necesitan ser mayor que 25 mm2 en cobre. Nota: A las tuberías que ingresan a una instalación, debe incorporársele un acoplamiento aislante en el punto de ingreso, para evitar potenciales transferidos.

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Los conductores de conexión suplementarios, son para asegurar que el equipo eléctrico y otros items de material conductivo en zonas específicas estén conectados entre sí y permanecen sustancialmente al mismo potencial. Se usan en adición a los conductores de conexión equipotencial principales y conductor de protección de circuito. En el interior de subestaciones eléctricas, los conductores de conexión y de tierra necesitan ser de tamaño suficiente ya que ellos pueden llevar una buena cantidad de corriente de falla hasta por tres segundos, sin daño.

Tabla 12. Estimación del Calibre del Conductor También es recomendable hacer algunas estimaciones respecto de pérdida de material por corrosión a lo largo de la vida de la instalación.

NORMAS INTERNACIONALES QUE RIGEN SU IMPLEMENTACIÓN (IEEE, NFPA, API Y NORMAS IEC) En el ámbito internacional, es muy conocido y empleado el grupo de estándares del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE - Institute of Electrical an Electronics Engineers): Sistemas de Puesta a Tierra. ANSI / IEEE Std. 81: 1983, Guía para la medición de Resistencias de Tierra, Impedancias de Tierra y Potenciales de Superficie de Tierra en Sistemas de Aterramiento. Instalaciones domiciliarias, comerciales e industriales. ANSI C114.1-1973 / IEEE Standard 142-1972. IEEE Práctica Recomendada para Aterramientos de Sistemas de Potencia Industriales y Comerciales. Subestaciones eléctricas de media y alta tensión. ANSI / IEEE Standard 80-1986. IEEE Guía para Seguridad en Aterramientos de subestaciones AC. Norma USA

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que cubre aspectos técnicos y de diseño. Incluye modelado de terreno, distribución de corriente de falla, ejemplos trabajados y consideraciones especiales, por ejemplo, subestaciones encapsuladas (GIS). Esta Norma se considera generalmente rigurosa en su aproximación. Directivas CCITT. Involucran, principalmente, interferencias electromagnéticas en cables, generadas por sistemas de potencia y rieles electrificados. ADECUACIONES Y CONSIDERACIONES PARA NORMAS BOLIVIANAS. Actualmente en Bolivia, El Instituto Boliviano de Normalización y Calidad (IBNORCA), es una asociación privada sin fines de lucro, creada mediante Decreto Supremo Nº 23489 del 29 de abril de 1993 y fundada el 5 de mayo de 1993. La competencia definitiva de sus actividades, le confiere el Decreto Supremo Nº 24498 del 17 de febrero de 1997, con el cual se crea el Sistema Boliviano de Normalización, Metrología, Acreditación y Certificación - SNMAC. IBNORCA tiene a su cargo dos pilares fundamentales, la Normalización Técnica y la Certificación de Calidad, a través de 3 vertientes fundamentales: Promover el desarrollo de la elaboración de normas técnicas bolivianas, con la participación abierta a todas las partes interesadas y colaborar, impulsando la aportación boliviana,

en la elaboración de normas COPANT (Comisión

Panamericana de Normas Técnicas) e internacionales. Certificar productos, servicios y empresas (sistemas), confiriendo a las mismas un valor competitivo diferencial, que contribuya a favorecer los intercambios comerciales y la cooperación internacional. Orientar la gestión a la satisfacción de nuestros clientes y a la participación activa de las personas, con criterios de calidad y obtener resultados que garanticen un desarrollo competitivo.

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Normas Bolivianas Relacionadas NB 777:2007 Diseño y construcción de instalaciones eléctricas interiores en baja tensión (Primera revisión). NB 148001-1:2008 Instalaciones eléctricas en baja tensión - Parte 1: Cajas Especificaciones técnicas, clasificación y métodos de ensayo (Primera revisión). NB 148001-2:2008 Instalaciones eléctricas en baja tensión - Parte 2: Tableros Especificaciones técnicas, clasificación y métodos de ensayo (Primera revisión). NB 148002:2008 Instalaciones eléctricas en baja tensión - Tableros individuales de medición y protección - Requisitos y métodos de ensayo (Primera revisión). NB 148003:2008 Instalaciones eléctricas en baja tensión - Tableros individuales de medición y protección - Recubrimiento a base de pinturas - Requisitos y métodos de ensayo (Primera revisión). NB 148004:2009 Instalaciones eléctricas - Sistema de puesta a tierra (PaT) Glosario de términos (Primera revisión). NB 148005:2009 Instalaciones eléctricas - Sistema de puesta a tierra (PaT) Conductores para puesta a tierra (Primera revisión). NB 148006:2009 Instalaciones eléctricas - Sistema de puesta a tierra (PaT) Electrodos para puesta a tierra (Primera revisión). NB 148007:2009 Instalaciones eléctricas - Sistema de puesta a tierra (PaT) Materiales que constituyen el pozo de puesta a tierra (Primera revisión). NB 148008:2009 Instalaciones eléctricas - Sistema de puesta a tierra (PaT) Medición de la resistividad y la resistencia de puesta a tierra (Primera revisión). NB 148009:2004 Instalaciones eléctricas - Sistema de puesta a tierra - Criterios de diseño y ejecución de puesta a tierra. NB 148010-1:2009 Instalaciones eléctricas - Protección contra el rayo - Sistema de puesta a tierra (PaT) - Parte 1: Principios generales (Primera revisión). NB 148010-2:2009 Instalaciones eléctricas - Protección contra el rayo - Sistema de puesta a tierra (PaT) - Parte 2: Evaluación del riesgo (Primera revisión). NB 148010-3:2009 Instalaciones eléctricas - Protección contra el rayo - Sistema de puesta a tierra (PaT) - Parte 3: Daño físico a estructuras y riesgo humano (Primera revisión).

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NB 148010-4:2009 Instalaciones eléctricas - Protección contra el rayo - Sistema de puesta a tierra (PaT) - Parte 4: Sistemas eléctricos y electrónicos en estructuras (Primera revisión). NB 148011:2008 Instalaciones eléctricas - Estructuras para líneas de 14.4/24.9 Kv-Especificaciones. Consideraciones Generales Normadas a Nivel Nacional Definiciones relativas a la puesta tierra (incluidas desde la norma NB 777:2007), como elemento fundamental de una instalación eléctrica, industrial o domestica. Descripción y recomendaciones sobre criterios de instalación de puesta a tierra, creándose un capítulo entero en su norma base NB 777:2007, sobre nomenclatura, definiciones y configuraciones permitidas.